При каком роде тока обеспечивается более высокая устойчивость горения дуги: Вопрос: Вопр_ОЭ/2 При каком роде тока обеспечивается более высокая устойчивость горения дуги? : Смотреть ответ — НПФ Техсервис — Техническое оборудование общепромышленного и нефтепромыслового назначения

Содержание

Условия устойчивого горения дуги — Энциклопедия по машиностроению XXL

При сварке на постоянном токе полярность электродов остаётся неизменной, а при переменном токе меняется 100 раз в 1 сек., поэтому условия для существования дуги затруднены. Для устойчивого горения дуги переменного тока необходимо наличие индуктивности в сварочной цепи, создающей сдвиг фаз между током и напряжением такой величины,, чтобы после перехода тока через нуль напряжение трансформатора было достаточным для зажигания дуги, а при уменьшении напряжения дуга поддерживалась бы за счёт возникающей электродвижущей силы самоиндукции. Благодаря этому сварочный аппарат, обладая значительной индуктивностью, должен иметь коэфициент мощности os 9 порядка 0,35 — 0,45. С экономической точки зрения желательно иметь os 9 по возможности выше, в пределах, допускаемых условиями устойчивого горения дуги. Напряжение холостого хода по- [c.285]
Первое условие устойчивого горения дуги состоит в том, что внешняя характеристика источника питания в рабочей точке должна быть более крутопадающей, чем статическая характеристика дуги.

[c.17]

УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОГО ГОРЕНИЯ ДУГИ [c.13]

Необходимым условием устойчивого горения дуги является постоянство длины дуги. Это условие обеспечивается соблюдением в процессе сварки равенства между скоростью подачи электродной проволоки в зону дуги и скоростью ее плавления (у ), т. е. Колебания напряжения в сети, неровности поверхностей свариваемых деталей, пробуксовка проволоки в подающих роликах, магнитное дутье и другие причины вызывают нарушение этого равенства, в результате чего может произойти или короткое замыкание электрода с изделием, когда Vg > п или обрыв дуги, когда V, [c.49]

ЗАЩИТНЫЙ ПУЗЫРЬ, парогазовый пузырь (при подводной сварке) — парогазовый объем, возникающий вокруг подводной дуги в результате испарения и диссоциации воды и испарения металла. Служит защитной атмосферой. Образование 3. п. является непременным условием устойчивого горения дуги под водой.

[c.49]

Различают следующие внешние характеристики источников питания (рис. 8-6) падающую 1, пологопадающую 2, жесткую 3 и возрастающую 4. Выбор источника питания по типу внешней характеристики производится в зависимости от способа сварки. Условия устойчивого горения дуги будут выполнены, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных значениях напряжения и тока. Установившийся режим работы системы сварочная дуга—источник питания определяется точкой пересечения внешней характеристики источника питания и вольт-амперной характеристики [c.379]

Необходимым условием устойчивого горения дуги при автоматической сварке является постоянство длины дуги. Постоянство длины дуги обеспечивается равенством скорости подачи электродной проволоки в зону дуги Va и скорости ее плавления Оц, т. е. [c.131]

Рассмотрим условия устойчивого горения дуги (рис. 27, б) с возрастающей статической характеристикой при уменьшении ее длины от до /2. [c.64]

Главным условием устойчивого горения дуги является равенство скорости плавления проволоки Кд и скорости подачи ее в зону дуги [c. 87]

Основным условием устойчивого горения дуги под флюсом является равенство скорости плавления проволоки и скорости подачи ее в зону дуги В процессе сварки происходит непрерывное нарушение равенства v = v , вызываемое колебаниями напряжения в сети, изменениями длины дуги в связи с неровностями поверхности металла в зоне сварки (расплавлением кромок), пробуксовыванием проволоки в подающих роликах и т. д.

[c.125]

Аргоно-гелиевая смесь создает условия устойчивого горения дуги и ее высокой тепловой мощности. Применение смеси, состоящей из 40% аргона и 60% гелия при сварке алюминия обеспечивает получение более плотных швов, чем при защите аргоном. [c.307]

Сварочная дуга с возрастающей статической характеристикой будет устойчиво гореть в условиях, которые отличаются от условий устойчивого горения дуги с падающей статической характеристикой. Если для питания дуги при ручной сварке должны применяться сварочные генераторы с крутопадающей внешней характеристикой, то при сварке в углекислом газе внешняя характеристика сварочных генераторов должна быть жесткой или даже слегка возрастающей.

[c.44]

Третьим условием устойчивости горения дуги при сварке является включение в сварочную цепь последовательно с дугой ин- [c.29]

Укажите условия устойчивого горения дуги [c.83]

Условием устойчивости горения дуги при сварке на переменном токе является наличие в сварочной цепи специального стабилизирующего устройства — дросселя. В процессе горения дуги образуются обрывы (100 обрывов дуги в секунду при промышленной частоте переменного тока 50 Гц). [c.31]

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы). Источники переменного тока более распространены, так как обладают рядом технико-экономических преимуществ. Сварочные трансформаторы проще в эксплуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД, чем выпрямители и генераторы постоянного тока. Однако в некоторых случаях (сварка на малых токах покрытыми электродами и под флюсом) при питании переменным током дуга горит неустойчиво, так как через каждые 0,01 с напряжение и ток дуги проходят через нулевые значения, что приводит к временной деионизации дугового промежутка.

Постоянный ток предпочтителен в технологическом отношении при его применении повышается устойчивость горения дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях, появляется возможность вести сварку на прямой и обратной полярностях и т. д. Последнее вследствие большего тепловыделения в анодной области дуги позволяет проводить сварку сварочными материалами с тугоплавкими покрытиями и флюсами [c.188]

Дроссель-регулятор типа РСТЭ-53 служит для получения крутопадающей характеристики трансформатора, создающей условия для устойчивого горения дуги и плавного регулирования силы сварочного тока. Имеет сердечник стержневого типа. Ярмо сердечника разъёмное и одна его часть может перемещаться при помощи ходового винта, снабжённого рукояткой. При вращении рукоятки по часовой стрелке сила тока увеличивается, против часовой стрелки — уменьшается. Вес дросселя 183 кг. При работе на трансформаторах СТЭ-32 следует применять дроссели РСТЭ-32 или 23.

[c. 345]

Устойчивое горение дуги и, следовательно, качественное формирование сварного шва возможны при выполнении ряда условий. Одно из них — равенство напряжения и тока ИП напряжению и току дуги. Это возможно, если ВАХ источника и ВАХ дуги пресекаются хотя бы в одной точке. Например, дуга будет устойчивой, если ВАХ источника J пересекает ВАХ ручной дуговой сварки, а это возможно, только если источник имеет крутопадающую ВАХ. В процессе ручной дуговой сварки часто происходят значительные изменения длины дуги и, следовательно, падения напряжения на нее. При таких изменениях точка пересечения ВАХ будет смещаться, например из точки >42 в точку Аз. Это вызовет изменение силы тока на величину А/, которая будет тем меньше, чем круче ВАХ источника. Значит, источники с крутопадающей характеристикой для ручной сварки предпочтительнее.

[c.93]

Устойчивость горения дуги достигается подбором электрических характеристик дуги и ее источника питания (рис. 3.15). Совмещение электрической характеристики дуги и источника питания позволяет найти в точке их пересечения условия U и /д) устойчивой работы. При использовании дуги на начальном участке ее характеристики в точке В, где дифференциальное сопротивление дуги отрицательно (рд характеристика источника / должна быть крутопадающей (рд [c.236]

Условия зажигания и устойчивого горения дуги зависят от рода тока (постоянный или переменный), полярности при сварке на постоянном токе, диаметра электрода, состава обмазки при сварке штучными электродами и температуры окружающей среды. [c.16]

Для сварки металла толщиной до 4 мм, а также при сварке вертикальных, горизонтальных и потолочных швов рекомендуется применять электродную проволоку диаметром 1—1,2 мм. Ввиду того что в монтажных условиях сварку приходится производить в различных пространственных положениях, применяется главным образом проволока диаметром 1 —1,2 мм. При одной и той же силе тока применение более тонкой проволоки увеличивает устойчивость горения дуги и глубину проплавления, уменьшает разбрызгивание и повышает производительность труда. [c.374]

Таким образом, устойчивое горение дуги и стабильность режима сварки зависят от условий существования дугового разряда, свойств и параметров источников питания. Основным параметром источника питания является его внешняя характеристика, которая выражает зависимость между напряжением на зажимах источника и током, протекающим через сварочную цепь при нагрузке. Различают падающую, пологопадающую, жесткую и возрастающую внешние характеристики (рис. 12). Источник питания выбирают по типу внешней характеристики в зависимости от способа сварки. Для ручной электродуговой сварки применяют источники питания с падающей внешней характеристикой (при коротком замыкании напряжение снижается до нуля, что не дает расти силе тока короткого замыкания, а при возбуждении дуги, когда ток очень мал, на дуге обеспечивается повышенное напряжение).

Источники питания с падающими внешними, характеристиками позволяют удлинять дугу (в разумных пределах), не боясь ее быстрого обрыва, или уменьшать ее без чрезмерного увеличения тока. [c.50]

Устойчивое горение дуги и стабильность режима сварки зависят от условий существования дугового разряда, свойств и параметров источника питания. Основным параметром источника питания является его внешняя статическая вольтамперная характеристика, которая выражает зависимость между напряжением на зажимах источника и сварочным током. Источники питания могут иметь крутопадающую, пологопадающую, жесткую характеристику (рис. И). В зависимости от способа сварки источник тока выбирают по типу внеш- [c.35]

Сварочные трансформаторы служат для преобразования высокого напряжения электрической сети (220 или 380 в) в низкое напряжение вторичной электрической цепи до требуемого для сварки уровня, определяемого условиями для возбуждения и стабильного горения сварочной дуги. Вторичное напряжение сварочного трансформатора при холостом ходе (без нагрузки в сварочной цепи) составляет 60—75 в. При сварке на малых токах (60—100 а) для устойчивого горения дуги желательно иметь напряжение холостого ода 70—80 в. [c.12]

Следовательно, в условиях пониженной степени ионизация дугового промежутка зажигание дуги может происходить в начале каждого полупериода только при повышенном напряжении повторного зажигания дуги. Пик зажигания (напряжение зажигания в начале каждого полупериода) всегда выше стационарного напряжения дуги. С увеличением силы тока и введением в дуговой промежуток легко ионизируемых элементов или наложением токов высокой частоты устойчивость горения дуги резко возрастает. Высокая температура и большая концентрация теплоты сварочной дуги позволяют почти мгновенно расплавлять небольшие объемы металлов электрода и изделия при сварке. [c.186]

Снижение сварочного тока ниже 250 а приводит к ухудшению устойчивости горения дуги. Можно успешно применять полуавтоматическую сварку под флюсом на токах меньше 250 а, но при условии, что сварка будет выполняться постоянным током обратной полярности. [c.404]

Условия стабильного горения электрической дуги. Для сварки весьма важным условием является устойчивое, без перерывов, горение электрической дуги. Чем устойчивее (стабильнее) горит дуга, тем легче сварщику выполнять сварку и тем лучше качество сварного шва. Устойчивость горения дуги обеспечивается достаточно высокой степенью ионизации газа в дуговом промежутке. Степень ионизации газа характеризуется отношением количества заряженных (ионизированных) частиц к нейтральным в данном объеме дугового промежутка. [c.16]

Основным условием устойчивого горения сварочной дуги является соответствие внешней характеристики источника питания статической характеристике дуги. Под внешней характеристикой источника питания понимают зависимость между силой тока в сварочной цепи и напряжением источника. [c.602]

Выше мы рассмотрели основные статические характеристики источника питания, относящиеся к условиям, когда последний работает при установившемся режиме. Однако источникам питания приходится обслуживать установку для ПМО и при переходных процессах, например при возбуждении дежурной и основной дуг. При возбуждении дежурной дуги с помощью искрового разряда осциллятора за время существования искры сила тока должна достигнуть значения, при котором дуга будет гореть стабильно. Если значение силы тока устойчивого горения дуги обозначим /у, а время существования искры tu, то темп нарастания силы тока, который должен обеспечиваться источником питания, можно рассчитать из условия [c.20]

Так как условием устойчивого горения дуги при сварке плавящимся электродом в защитных газах является высокая плотность сварочного тока, то применяют электродную проволоку малого диаметра (обычно необходимости применения бо.

льших скоростей подачи электродной проволоки. [c.85]

Необ.кодимое условие устойчивого горения дуги и получения качествекных сварных соединений — равенство скорости подачи электродной проволоки и скорости ее плавления. [c.96]

Величины потенциалов ионизации и возбуждения зависят от природы атома и колеблются от 3,9 до 24,5 эВ. Наименыхгами потенциалами ионизации обладают щелочноземельные металлы (калий, кальций) и их соединения. Элементы, обладающие малыми потенциалами ионизации и возбуждения,- вводят в состав электродных покрытий, так как они способствуют устойчивому 1 орению дуги. Это первое условие устойчивого горения дуги. Второе условие — напряжение холостого хода источника питания должно быть больше напряжения дуги. [c.16]

Фактически величины dL ldI и dUJdl — динамические сопротивления сварочной дуги и источника питания при данной величине тока дуги /д у. Коэффициент — динамическое сопротивление всей энергетической системы источник питания — сварочная дуга в данном режиме работы. Таким образом, устойчивое горение дуги определяется только общим динамическим сопротивлением системы источник питания — дуга. Если оно положительно — режим устойчив. При нормальных сварочных режимах (сила тока дуги 100—800 А) dUp /dl 0. Это свойственно источникам с падающей внешней характеристикой (рис. 71, б), жесткой или даже возрастающей, но при условии, что dUJdl [c.126]

Минимальное напряжение устойчивого горения дуги (напряжение разрыва) Уд исследовано в ряде работ, В [58, 59] при ВДП стали и титана на переменном токе промьшшенной частоты получено Уд = 32 В. Известно, что прт постоянном токе оно существенно ниже. Повышение Уд при переменном токе по сравнению с постоянным связано с тенденцией к обрыву возникающих разрядов при прохождении кривой тока через нуль. Необходимо, однако, учитывать, что в отличие от условий горения дуги при ВДП на промышленной частоте, на ИПХТ-М обычно используют повьппенную частоту. Соответственно сокращается время, в течение которого идет деионизация разрядного промежутка (при 8000 Гц — до 6-10 с, что на два порядка меньше времени свечения анодного пятна, полученного в [58]). Это обстоятельство может существенно ограничить повышение Уд, вносимое знакоперемеиностью тока в ИПХТ-М. [c.68]

Электрические сварочные дуги могут быть непрерывные и прерывистые, импульсные. Импульсная дуга по сравнению с обычной имеет следующие преимущества более совершенное управление процессом плавления проволоки сокращение ве,йичины зоны термического влияния и размеров кристаллов в щве сниж ие нижнего предела рабочих токов и повышение устойчивости горение дуги улучшение условий для сварки в вертикальном и потолочном положениях. [c.452]

Известно, что качество и физико-механические свойства покрытий в вакууме во многом определяются условиями испарения материала катода. Для электродуговых испарителей одним из основных параметров является сила тока горения дуги, характеризующаяся таким значением, при котором горение дуги происходит устойчиво. Нарушение устойчивого горения дуги резко ухудшает качество покрытия за счет нарушения однородности их химического состава. Эта величина для каждого типа катода имеет свое значение и зависит от химического состава и физических свойств расходуемого катода (например, от теплопроводности, энергии сублимации, пористости). Некоторые значения силы тока устойчивого горения д>ти для катодов, изготовленных различными методами порошковой металт ургии, приведены в табл. 4.4. [c.144]

Необходимо также отметить, что при прочих равных условиях испарения минимальная сила тока устойчивого горения дуги зависит от технологии получения катодов. Так, в материале катода, изготовленного методом порошковой металлургии, в большинстве случаев имеется остаточная пористость, с увеличением которой увеличивается сила тока устойчивого горения дуги. Это связано с влиянием плотности прессованного материала на тегиюпроводность полученных катодов. [c.144]

Основным условием устойчивого горения сварочной дуги явля ется соответствие внешней характеристики источника питания ста тической характеристике дуги. Под внешней хара зависимость между током в сварочной цеп -и напряжением источника. [c.442]

Ар гонно-дуговая сварка — разновидность сварки в инертных газах. Сущность ее заключается в том, что зону сварки и электрод защищают от воздуха аргоном, гелием или их смесями. Инертные газы хорошо ионизируются и создают условия для устойчивого горения дуги. Так как из инертных газов наибольшее распространение получил аргон, сварку называют аргонно-дуговой. [c.73]

Особенно сильно охлаждается дуга струей углекислого газа. При этом тепло расходуется как на нагрев, так и на диссоциацию газа. В подобных условиях для устойчивого горения дуги переменного тока необходимо в ее зону вводить повышенное количество ионизируюпдих веществ. Это успешно применяется при ручной сварке покрытыми электродами, автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом, но практически пока не находит применения при сварке в углекислом газе. Вследствие этого сварка в углекислом газе выполняется исключительно на постоянном токе. [c.18]

ИСКУССТВО ЭЛЕКТРОГАЗОСВАРКИ — 10.08.2020

Самые опытные электрогазосварщики Лебединского ГОКа из основных производственных цехов комбината продемонстрировали свои знания и навыки в конкурсе профессионального мастерства.

Сначала конкурсантам предстояло ответить на вопросы по профессии и требованиям охраны труда и промышленной безопасности. Лебединцы уверенно справились с этим этапом, в частности ответив, при каком роде тока обеспечивается более высокая устойчивость горения дуги или для чего в сталь вводятся легирующие элементы.
Второй этап – проверка профессиональных навыков.
– Практическая часть состояла из нескольких подэтапов: во-первых, участники должны были собрать конструкцию в соответствии с технологической картой и сделать прихватки. На это давалось 20 минут. Мы проверяли качество сборки, и если всё выполнено верно, допускали к следующему этапу – сварке. Каждому предоставлялось 35 минут на завершение работы. Затем мы проводили визуальный и измерительный контроль готового образца, а также с помощью ультразвукового дефектоскопа оценивали сварочные швы на наличие внутреннего непровара, – рассказала ведущий специалист неразрушающего контроля управления производственными и машиностроительными активами Ирина Шпарло.
По ее словам, задание было достаточно сложное, поскольку стык получается неповоротный, то есть участникам предстояло продемонстрировать всё своё мастерство владения тремя видами швов: вертикальным, горизонтальным и в потолочном положении.
Первое место завоевал Евгений Лебедев (РМУ), второе – Константин Максимюк (УПЗЧ), которые уже не раз успешно принимали участие в подобных испытаниях. На третьем месте – электрогазосварщик рудоуправления Геннадий Недвижай.
– Участвовал в этом конкурсе много раз, даже сосчитать не могу сколько, но волнение всё равно было. Мне кажется, здесь нужно просто делать свою работу, как умеешь. Сегодня пришёл за победой, и всё получилось, – признался Евгений Лебедев.

Эта функция не доступна в Google Chrome. Нажмите на звездочку (символ в конце адрес-бара) или нажмите Ctrl-D, чтобы создать закладку.

Конкурс профессионального мастерства «Электрогазосварщик»

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

Шығыс-Қазақстан облысыбілім басқармасы

ШҚО білім басқармасының

«Глубокое техникалық колледжі» КММ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Управление образования Восточно-Казахстанской области

КГУ «Глубоковский технический колледж»

управления образования ВКО

Методическая разработка внеклассного мероприятия

«Конкурс профессионального мастерства, посвященный

25-летию Независимости Республики Казахстан

«Лучший электрогазосварщик»»

Құрастырған (Разработал):

Т. А.Ж. (Ф.И.О.) Овчинников А.К.

Овчинников Е.К.

п. Верхнеберезовский,

2016г.

Конкурс профессионального мастерства

«Лучший электрогазосварщик»

Аннотация:

Методическая разработка предназначена для проведения конкурса профессионального мастерства среди учащихся первого курса по профессии «Электрогазосварщик»

Конкурс включает в себя кроссворд, головоломку, тестовые задания, задание на скорость и практическое работу.

Представлены критерии оценок по выполнению теоретических и практического заданий.

Содержание

I. Пояснительная записка

II. Методические рекомендации

III. Положение о проведении конкурса профессионального мастерства «Лучший электрогазосварщик» по профессии «Электрогазосварщик»

IV. Материально-техническое обеспечение конкурса

V. Структура конкурса

V.1. Подготовительная часть

V.2. Ход конкурса

VI. Подведение итогов конкурса

I. Пояснительная записка.

Данный конкурс имеет цель выявить лучших из числа участников, позволяет выявить и развить интересы и способности учащихся.

Конкурсные задания состоят из:

1 тур — теоретический, который включает в себя соревнования по проверке теоретических знаний.

2 тур – практический, который включает в себя проверку практических навыков.

II. Методические рекомендации при организации конкурса профессионального мастерства.

1. Проводя конкурс, необходимо создать атмосферу активности, в которой комфортно работать: учащимся, организаторам, жюри и зрителям.

2. любое задание включенное в программу, должно быть интересным не только для тех, кто в нем участвует, но и для зрителей. Интерес этот может быть вызван неожиданностью затруднений, возникающих перед конкурсантами, динамичным решением задания, наглядностью и современностью.

3. При проведении конкурса необходимо соблюдать требования по охране труда и технике безопасности.

4. В каждом конкурсе должен быть обязательно элемент познавательности.

5. программа конкурса должна быть хорошо рассчитана по времени, а составляющие ее элементы так скомпонована, чтобы между ними не возникало слишком затяжных пауз.

III. Положение

о проведении конкурса профессионального мастерства «Лучший электрогазосварщик» по профессии «Электрогазосварщик»

1. Цели конкурса

Учебная: Показать уровень подготовленности учащихся по профессии как теоретические так и с умением выполнять трудовые приемы.

Образовательная: Развить умения устанавливать связи между теоретическими знаниями и трудовыми приемами.

Воспитательная: Вызвать ответственное отношение к неукоснительному соблюдению технологической дисциплины как главного условия высокого качества работы.

Время и место проведения.

Электрогазосварочная мастерская.

Подведение итогов.

Для подведения итогов конкурса создается жюри в составе из четырех человек.

Награждение победителей.

Победители конкурса, занявшие призовые места (1,2,3) награждаются грамотами и ценными призами.

IV. Материально-техническое обеспечение конкурса

1. Набор инструмента электросварщика

2. Средства индивидуальной защиты сварщика

3. Электроды

4. Металлические пластины

5. Ручки, листы бумаги

6. Карточки задания

7. Сварочный выпрямитель, балластный реостат

V. Структура конкурса

1. Организационный момент – 10 мин.

2. Конкурсы теоретические – 16 мин.

3. Конкурс практический – 10 мин.

4. Конкурс практический – 37 мин.

5. Подведение итогов после каждого конкурса – 1 мин. (5 мин.)

6. Награждение победителей – 5 мин.

Общее время проведения конкурса – 1 час 20 мин.

2. Организация и проведение конкурса.

В конкурсе участвуют учащиеся первого курса группа 1ЭГС-16 в полном составе, по профессии «Электрогазосварщик».

Конкурс делится на 2 тура.

1 тур — теоретический, который включает в себя соревнования по проверке теоретических знаний.

2 тур – практический, который включает в себя проверку практических навыков.

В состав жюри входят: методист – Ершова Ирина Петровна, мастер производственного обучения – Вагайцев Николай Юрьевич, преподаватель специальных дисциплин – Овчинников Евгений Константинович, старший мастер – Анисимов Сергей Алексеевич.

Жюри оценивает каждый тур конкурса, выставляя баллы в таблицу. Побеждает участник, набравший наибольшее количество баллов. Оценка практического задания зависит от соблюдения правильности сборки, технологии сборки и качества сварки конкурсного образца, соблюдения правил безопасности труда, рациональной организации рабочего места.

3. Условия проведения конкурса.

Порядок проведения 1 этапа конкурса – «Прояви смекалку».

Задание представляет собой решение кроссворда по тематике «Электросварка». В кроссворд входит 8 слов. Каждое правильно угаданное слово оценивается жюри в 1 балл. Приложение 1

Норма времени 3 минут

Порядок проведения 2 этапа конкурса – «Сварщик — Теоретик».

Теоретическое задание конкурсанта представляет собой письменное испытание в форме теста, включающего ситуационные задачи.

В содержание теоретического теста включены общие вопросы по сварке, особенностям ручной дуговой сварки, охране труда, чтению чертежей, решению ситуационной задачи.

Всего в тесте 20 вопросов.

Норма времени – 10 минут.

После истечения времени, установленного на выполнение теоретического задания, каждый конкурсант обязан сдать тест членам квалификационной комиссии для проведения оценки правильности его выполнения.

Итоги выполнения теста каждым конкурсантом заносятся членами конкурсной комиссии в соответствующую графу «Оценочная таблица участников конкурса». Приложение 3

Порядок проведения 3 этап «Шустрый сварщик»

Задание выполняют синхронно четыре участника. Судьи засекают время отдельно каждого участника. Участникам необходимо на время одеть экипировку сварщика (сварочная роба, кирзовые сапоги, рукавицы)

Норма времени – 10 минут.

Порядок проведения 4 этапа конкурса – «Как 2х2».

Участникам выдается карточка-задание «Устройство сварочного трансформатора ТС -300», где они должны подписать составные части трансформатора. Приложение 4

Норма времени – 5 минут.

Порядок проведения 5 этапа конкурса – «Сварщик Умелые ручки».

Практическое задание выполняется согласно требованиям технологической карты по сборке и сварке конкурсного образца.

Нормативное время 37 минут.

Оценка практического задания зависит от соблюдения правильности сборки, технологии сборки и качества сварки конкурсного образца, соблюдения правил безопасности труда, рациональной организации рабочего места, соблюдения временного норматива.

Оценки практического задания

Жюри

Максимальная оценка

Организация рабочего места

5 баллов

Соблюдение правил ТБ и санитарных норм

5 баллов

Качество выполняемых работ

30 баллов

Соблюдение технологического процесса

10 баллов

Максимальное количество баллов

50 баллов

За каждое нарушение условий конкурса

1 балл

4. Этапы конкурса.

Ведущий (мастер п/о) объявляет о начале конкурса «Лучший электрогазосварщик».

О рабочих руках много сказано,

На рабочих руках жизнь лежит,

И с знаниями сердце повязано

Здесь науки грызем мы гранит!

Чтобы нашей любимой Родины

Свою пользу трудом принести,

Дни учебы уже не забудем мы

На великом и славном пути.

1 этап – «Прояви смекалку»

Ведущий раздает участникам кроссворд «Ассоциация». В течение 5 минут участники решают кроссворд. Затем ведущий передает жюри готовые кроссворды — эталон. Задание проверяется. Жюри выставляет за каждый правильный ответ один балл в таблицу.

Кроссворд «Ассоциация»

1.Сталь С

Транспортирование леса по реке.

2.Металл

Основной компонент стали.

3.Неметалл

Нежелательный компонент стали

4. Легирующий элемент

Кожа.

5.Неметалл в составе стали

Составная часть горной породы.

6.Неметалл

Основной компонент стали.

7.Легирующий элемент

Выдающаяся личность.

8.Легирующий элемент

Лес.

2 этап – «Сварщик — теоретик»

Ведущий предлагает выполнить тест, состоящий из двух вариантов, выбрав правильный вариант ответа, время выполнения задания 10 минут. За каждый правильный ответ жюри выставляет по одному баллу.

Вариант I

1. Какие существуют способы зажигания электрической дуги?

А. короткое замыкание

В. чирком и тычком +

С. твердым соприкосновением электрода с поверхностью заготовки

2. Какое движение электродом необходимо для наплавки валиком?

А. сверху вниз

В. снизу вверх

С. колебательные +

3. Какой тип источников питания предназначен для сварки на переменном токе?

А. Сварочные трансформаторы. +

В. Сварочные выпрямители.

С. Все перечисленные.

4. Ионизация столба сварочной дуги за счёт обмазки необходима для:

А. усиления переноса металла через дугу

В. повышение горения дуги

С. стабилизация горения дуги +

5. Что называется сварочной дугой?

А. электрический дуговой термический разряд в ионизированной смеси газов, паров металлов и компонентов, входящих в состав электродных покрытий +

В. электрический дуговой не термический разряд

С. грозовой разряд

6. Что такое сварочный выпрямитель?

А. Преобразователь энергии сети в энергию выпрямленного тока, используемую для сварочных работ. +

В. Генератор для преобразования энергии сети в энергию перемененного тока, используемую для сварочных работ.

С. Генератор для преобразования энергии сети в энергию выпрямленного тока, используемую для сварочных работ.

7. Для чего служит сварочный трансформатор?

А. Для преобразования частоты переменного тока.

В. Для преобразования напряжения переменного тока. +

С. Для уменьшения напряжения холостого хода сварочного источника питания.

8. Что нужно одеть, чтобы зачистить сварочные швы после сварки?

А. защитные очки и спецодежду +

В. сварочную маску

С. ничего не одевать

9. С какой целью выполняют разделку кромок?

А. для уменьшения разбрызгивания металла

В. для удобства наблюдения за процессом сварки

С. для обеспечения провара на всю глубину +

10. Выбор силы сварочного тока зависит от:

А. марки стали и положения сварки в пространстве

В. диаметр электрода, марки стали детали и положения сварки в пространстве +

С. толщины металла, диаметра электрода, марки стали и положения в пространстве

11. При каком роде тока обеспечивается более высокая устойчивость горения дуги?

А. при переменном

В. при постоянном +

С. устойчивость горения дуги не зависит от рода тока

12. Заземление предназначено для защиты:

А. Дуги

В. Материала

С. Людей +

13. Для защиты органов дыхания в кабинке устанавливается:

А. Кантователь

В. Подъемные устройства

С. Вентиляция +

14. Для чего служит сварочный кабель:

А. Принадлежность сварщика для подвода тока к электроду +

В. Основной инструмент сварщика

С. Вспомогательный инструмент сварщика

15. Очистку металла производят:

А. От воды

В. Не производят

С. От ржавчины, окалины, грязи, масла +

16. Соединения, в котором свариваемые элементы расположены параллельно и перекрывают друг друга, называются:

А. Двутавровыми

В. Стыковыми

С. Нахлесточными +

17. При затвердевании расплавленного металла образуется:

А. Сварочный шов +

В. Болтовое соединение

С. Кратер

18. При сварке снизу вверх дугу возбуждают:

А. В середине шва

В. В нижней точке шва +

С. Не возбуждают

19. Все необходимое для работы должно находиться:

А. В чехле

В. В ящике

С. Под рукой +

20. Подключение к сети и обслуживание преобразователей и агрегатов должен осуществлять:

А. Дежурный слесарь

В. Сам сварщик

С. Специально подготовленный электромонтажник +

Вариант II

1. Подключение к сети и обслуживание преобразователей и агрегатов должен осуществлять:

А. Дежурный слесарь

В. Сам сварщик

С. Специально подготовленный электромонтажник +

2. Все необходимое для работы должно находиться:

А. В чехле

В. В ящике

С. Под рукой +

3. При сварке снизу вверх дугу возбуждают:

А. В середине шва

В. В нижней точке шва +

С. Не возбуждают

4. При затвердевании расплавленного металла образуется:

А. Сварочный шов +

В. Болтовое соединение

С. Кратер

5. Соединения, в котором свариваемые элементы расположены параллельно и перекрывают друг друга, называются:

А. Двутавровыми

В. Стыковыми

С. Нахлесточными +

6. Очистку металла производят:

А. От воды

В. Не производят

С. От ржавчины, окалины, грязи, масла +

7. Для чего служит сварочный кабель:

А. Принадлежность сварщика для подвода тока к электроду +

В. Основной инструмент сварщика

С. Вспомогательный инструмент сварщика

8. Для защиты органов дыхания в кабинке устанавливается:

А. Кантователь

В. Подъемные устройства

С. Вентиляция +

9. Заземление предназначено для защиты:

А. Дуги

В. Материала

С. Людей +

10. При каком роде тока обеспечивается более высокая устойчивость горения дуги?

А. при переменном

В. при постоянном +

С. устойчивость горения дуги не зависит от рода тока

11. Выбор силы сварочного тока зависит от:

А. марки стали и положения сварки в пространстве

В. диаметр электрода, марки стали детали и положения сварки в пространстве +

С. толщины металла, диаметра электрода, марки стали и положения в пространстве

12. С какой целью выполняют разделку кромок?

А. для уменьшения разбрызгивания металла

В. для удобства наблюдения за процессом сварки

С. для обеспечения провара на всю глубину +

13. Что нужно одеть, чтобы зачистить сварочные швы после сварки?

А. защитные очки и спецодежду +

В. сварочную маску

С. ничего не одевать

14. Для чего служит сварочный трансформатор?

А. Для преобразования частоты переменного тока.

В. Для преобразования напряжения переменного тока. +

С. Для уменьшения напряжения холостого хода сварочного источника питания.

15. Что такое сварочный выпрямитель?

А. Преобразователь энергии сети в энергию выпрямленного тока, используемую для сварочных работ. +

16. Что называется сварочной дугой?

В. электрический дуговой не термический разряд

С. грозовой разряд

17. Ионизация столба сварочной дуги за счёт обмазки необходима для:

А. усиления переноса металла через дугу

В. повышение горения дуги

С. стабилизация горения дуги +

18. Какой тип источников питания предназначен для сварки на переменном токе?

А. Сварочные трансформаторы. +

В. Сварочные выпрямители.

С. Все перечисленные.

19. Какое движение электродом необходимо для наплавки валиком?

А. сверху вниз

В. снизу вверх

С. колебательные +

20. Какие существуют способы зажигания электрической дуги?

А. короткое замыкание

В. чирком и тычком +

С. твердым соприкосновением электрода с поверхностью заготовки

3 этап «Шустрый сварщик»

Участникам необходимо на время одеть экипировку сварщика (сварочная роба, кирзовые сапоги, рукавицы)

4 этапа конкурса «Как 2х2».

5 этап «Сварщик «Умелые ручки»

Порядок проведения 4 тура конкурса – оценка профессионального мастерства.

Практическое задание является единым для всех участников и заключается в заваривании ручной дуговой сваркой одного плоского стыкового и одного нахлёсточного соединения образца.

1. Размеры пластин: 100 х 50 х 3 мм.

2. Материал пластин: углеродистая сталь.

3. Сварочные электроды МР-3, Ø 3.

4. Положение сварки – нижнее, вертикальное.

5. Сварное соединение двухстороннее.

Конкурсантам дается время 10 минут для подготовки рабочего места.

6. Время, устанавливаемое на сборку участником свариваемого стыка, зачистку кромок и подбор режимов сварки – 20 минут.

Время на сварку стыка задается технологической картой.

7. Для послойной зачистки шва в процессе сварки разрешается использовать молоток, зубило и стальную щетку. Для зачистки выполненного шва и околошовной зоны от шлака, окисной пленки и брызг (на ширину не менее 20 мм. от линии сплавления) разрешается использовать молоток, зубило и стальную щетку.

8. Перед выполнением практической части конкурса каждый сварщик имеет возможность ознакомиться со сварочным оборудованием, технологическими картами сварки.

9. После выполнения прихваток и завершения сварки контрольные образцы подвергаются визуальному и измерительному контролям, по результатам которых оформляются заключения. За выявленные дефекты начисляются штрафные баллы. Результаты выполнения практического задания заносятся членами квалификационной комиссии в соответствующие графы индивидуального Листа оценки.

10. Участник, допустивший грубые нарушения технологии выполнения практического задания или правил техники безопасности, по решению квалификационной комиссии может быть дисквалифицирован и отстранен от участия в конкурсе.

11. Члены конкурсной комиссии следят за соблюдением конкурсантами техники безопасности, требований охраны труда и правил эксплуатации оборудования.

5. Подведение итогов конкурса.

5.1. Победитель конкурса определяется по максимальному количеству баллов, полученных при выполнении конкурсных заданий.

5.2. Оценивается выполнение практического и теоретического задания, затем подсчитывается сумма баллов для каждого участника и определяется итоговая оценка.

5.3. При равных показателях предпочтение отдается участнику, выполнившему качественнее практическое задание.

5.4. Победители конкурса награждаются призами и почетными грамотами.

Итоговая оценочная таблица участников конкурса

№

ФИО

«Прояви смекалку»

«Сварщик — теоретик»

«Шустрый сварщик»

«Как 2х2»

«Сварщик «умелые ручки»

Итого баллов

Организация рабочего места

5 б

Соблюдение правил ТБ

5 б

Соблюдение технологического процесса

10 б

Качество выполняемых работ

30 б

Оценочная таблица 5 тура конкурса – «Сварщик Умелые ручки».

Жюри

Максимальная оценка

Организация рабочего места

5 баллов

Соблюдение правил ТБ и санитарных норм

5 баллов

Качество выполняемых работ

30 баллов

Соблюдение технологического процесса

10 баллов

Максимальное количество баллов

50 баллов

Нарушение условий конкурса

Первое нарушение

1 балл

Второе нарушение

2 балла

Третье нарушение

3 балла

Критерии оценки практического задания.

1. Сборка. Оценивается правильность сборки, соответствие размеров собранного стыка, отсутствие перекосов, излома кромок и т.п.

2. Сварка оценивается по следующим параметрам:

3. Сваренный образец предъявляется сварщиком представителю конкурсной комиссии.

4. Сваренные образцы подвергаются визуальному осмотру.

5. При визуально-измерительном контроле конкурсная комиссия проверяет качество и правильность выполнения швов, соответствие швов заданным размерам, наличие недопустимых наружных дефектов.

При выявлении недопустимых наружных дефектов, образец признается браком.

7. За каждый обнаруженный дефект, начисляются 1 штрафной балл.

8. Режим и технология сварки (сила тока, напряжение, порядок сборки, порядок наложения швов, однослойная или многослойная сварка, и т.д.) устанавливаются сварщиками исходя из рекомендаций технологических карт, которые выдаются каждому участнику конкурса перед началом практических испытаний. Испытания сварщиков производятся с применением исправного оборудования и инструмента.

9. При несоблюдении условий конкурса, грубых нарушениях технологии работ, правил безопасности труда участник конкурса по решению жюри может быть отстранен от выполнения конкурсного задания.

Требования к качеству

1.Соблюдение техники безопасности

2.Последовательность технологического процесса

3.Качество выполненной работы

Штрафные очки

1. Несоблюдение правил организации рабочего места — 1

2. Отклонение от заданных размеров при сборке — 1

3. Наличие брака — 1

Подготовка рабочего места сварщика.

— убрать все лишние предметы с рабочего места, не загромождая при этом проходов к электрооборудованию, к средствам пожаротушения, приступать к работе только на чистом, не скользком полу;

— убедиться в исправности сварочного оборудования и соответствии рабочего места требованиям ТБ, исправности заземления сварочной установки, свариваемого изделия;

— расположить сварочные провода таким образом, чтобы они не подвергались механическим повреждениям и действию высокой температуры, не соприкасались с влагой;

— убедиться в том, что вблизи рабочего места не расположены пожаро- и взрывоопасные вещества и горючие материалы в радиусе 5 м.

Детали и заготовки уложить или установить в устойчивом положении на подкладках и стеллажах таким образом, чтобы высота штабелей не превышала полторы ширины и полтора диаметра основания штабеля, но не более 1 метра.

Проверить:

— освещенность рабочего места.

— ознакомиться с предстоящей работой и подготовить необходимый для ее выполнения инструмент и технологическую оснастку.

— проверить исправность местной и общеобменной вентиляции.

Критерии качества сварного соединения.

Качество сварных швов считается не годным, если в них при любом типе проверки были найдены наружные или внутренние дефекты, выходящие за пределы значений, регламентированных правилами.

Внешний осмотр и обмер сварных швов. Внешним осмотром выявляют несоответствие шва требуемым геометрическим размерам, наплывы, подрезы, глубокие картеры, прожоги, наружные трещины, непровары, свищи и поры и другие внешние дефекты (рис. 2). Размеры швов должны соответствовать указанным на чертеже. Не допускается какое бы то ни было уменьшение фактического размера шва по сравнению с заданным (номинальным) размером.

Рис. 2. Наружные дефекты сварного шва:

а — наплывы;

б — подрезы;

в — непровары;

г — прожог;

д — Трещина в основном металле

Дефекты сварного шва

Обрыв дуги

Неправильное выполнение конечного участка шва

Большой сварочный ток
Длинная дуга
При сварке угловых швов – смещение электрода в сторону вертикальной стенки

Быстрое охлаждение шва
Загрязнение кромок маслом, ржавчиной и т.п.
Непросушенные электроды
Высокая скорость сварки

Малый угол скоса вертикальных кромок
Малый зазор между ними
Загрязнение кромок
Недостаточный сварочный ток
Завышенная скорость сварки

Грязь на кромках
Малый сварочный ток
Большая скорость сварки

Плохая зачистка кромок
Большая длина дуги
Недостаточный сварочный ток
Большая скорость сварки

Большой сварочный ток
Неправильный наклон электрода
Излишне длинная дуга

Резкое охлаждение конструкции
Высокие напряжения в жестко закрепленных конструкциях
Повышенное содержание серы или фосфора

Низкая пластичность металла шва
Образование закалочных структур
Напряжение от неравномерного нагрева

Чрезмерный нагрев околошовной зоны
Неправильный выбор тепловой мощности
Завышенные значения мощности пламени или сварочного тока

Российская академия ракетных и артиллерийских наук — Российская академия ракетных и артиллерийских наук

С 8 по 10 декабря в Парке науки и искусства «Сириус» в Сочи проходил Конгресс молодых ученых и VIII ежегодная национальная выставка «Вузпромэкспо-2021». Делегация БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (ассоциированного члена РАРАН) во главе с ректором университета…Подробнее>>>

3 декабря в Минске, в Белорусском государственном музее истории Великой Отечественной войны, была открыта временная экспозиция «Битва за Москву. Бессмертие подвига» и при участии РАРАН проведена конференция. Оба мероприятия посвящены 80-летию Битвы под Москвой.

Бывшие несовершеннолетние узники фашистских концлагерей провели всероссийские онлайн-конференции при участии РАРАН

27.12.2021

Организация бывших несовершеннолетних узников фашизма при поддержке Общероссийской общественной организации «Офицеры России», Общероссийского движения «Сильная Россия» и Российской академии ракетных и артиллерийских наук на площадке Дома общественных организаций…Подробнее>>>

Представители РАРАН на самом масштабном военно-исторический форуме

17.12.2021

Представители РАРАН советники по научному отделению № 10 заместитель начальника Военной академии Генерального штаба ВС РФ д-р военных наук, профессор генерал-лейтенант А. В. Сержантов, заместитель начальника НИО НИИ (ВИ) ВАГШ ВС РФ к.и.н. подполковник А.А. Кузнецов и снс НИИ (ВИ) ВАГШ ВС…Подробнее>>>

Конференция в МГУ им. М.В.Ломоносова с участием РАРАН

15.12.2021

На историческом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова 7 декабря 2021 г. прошла Международная научная конференция «Начало Великой Отечественной войны. К 80-летию разгрома немецко-фашистских войск под Москвой». Советник РАРАН по научному отделению № 10 А.А. Кузнецов…Подробнее>>>

Ведущей кафедре «ВОЕНМЕХа» 75 лет!

01.12.2021

В ноябре 2021 г. под руководством ректора БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, члена-корреспондента РАРАН (научное отделение № 10) К.М. Иванова состоялось празднование 75-летия кафедры «Ракетостроение» (А1), исторически известной как кафедра № 1.

Одна…Подробнее>>>

В «ВОЕНМЕХЕ» подвели итоги конкурса на присуждение персональных стипендий фонда «Истоки»

01.12. 2021

22 ноября 2021 г. ректор БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, член-корреспондент РАРАН (научное отделение № 10) К.М. Иванов участвовал в организации конкурса на присуждение персональных стипендий фонда «Истоки», основанного выпускником «Военмеха» по кафедре…Подробнее>>>

tooltips | Клуб пользователей ANSYS

Одна из сильнейших сторон в ANSYS Mechanical – это создаваемый входной файл, который посылается в ANSYS Mechanical APDL (MAPDL) на решение. И это действительно замечательно потому, что вы, как пользователь, имеете полный доступ ко всем глубинам и всем возможностям классического ANSYS. MAPDL – это хорошая старомодная программа, способная считывать команды и последовательно их исполнять. Так что единственное, что вам нужно сделать, чтобы добраться до любой опции – это просто ввести нужные команды.

Для множества пользователей со стажем это не является проблемой потому, что они «выросли» на текстовых командах. Однако у новых пользователей, как правило, возникают проблемы при желании ощутить всю мощь APDL (ANSYS Parametric Design Language) т. к. добраться до всех расширенных возможностей нелегко.

Порой, при оказании помощи пользователям или проведении обучения, нужно рассказать, как, например, изменить тип конечного элемента (Mechanical по умолчанию использует наиболее общую формулировку, но у пользователя есть возможность использовать и другие) и иногда попадаются люди, которые признаются, что не только не работали с командами APDL, но и никогда их не встречали.

Таким образом, чтобы помочь пользователям ANSYS Mechanical ступить на эту дорогу любви к APDL командам, мы выпустили список 20 APDL команд, которые следует знать каждому. Правда, по факту их тут больше, чем 20 потому, что некоторые из них мы объединили в группы. Здесь не будет приведено много подробностей по использованию каждой из них, т.к. в APDL help все превосходно расписано.

Основы APDL

APDL был разработан еще во времена перфокарт. Он был гораздо проще других программ в использовании, поскольку вводимые команды не требовалось раскидывать по столбцам. Вместо этого аргументы в командах разделяются запятыми. Поэтому, при задании узла, вместо вот этого:

345 12.456 17.4567 0.0034

(обратите внимание, что расположение запятой имеет решающее значение) нужно написать строку:

N,345,12.456,17.4567, 0.0034

По тем временам это был большой шаг вперед. Главное, что вам нужно знать об APDL командах – это то, что они начинаются с ключевого слова и далее продолжаются аргументами, назначение каждого из которых подробно расписано в разделе ANSYS help/Command Reference. Например, по команде для создания узла там написано следующее:

Рис.1 Описание команды N в ANSYS help.

Документация последовательная и вы довольно быстро разберетесь с нужными опциями для вашей задачи. Принцип компоновки и изложения этих статей также объясняется в help: // Command Reference // 3. Command Dictionary.

Другой ключевой момент в командах MAPDL – это автоматическое присвоение большинству созданных вами объектов (кроме нагрузок и граничных условий) ID номера. К объектам нужно обращаться по этому ID номеру. Это ключевое понятие зачастую неизвестно людям, «выросшим» только на GUI’s. Таким образом, если вы захотите создать систему координат и использовать ее в последствии, то вам необходимо присвоить ей ID и далее на него ссылаться.

То же самое касается определения элементов (Element Types), свойств материала, и т. д… Запомните — на этом «горит» множество пользователей. Для того, чтобы использовать MAPDL команды их нужно просто ввести строками в командный объект (command object) в дереве проекта.

Идея выбора объектов имеет фундаментальное значение для APDL. Выше было сказано, что все объекты имеют свой ID. Вы можете взаимодействовать с каждым объектом, указав его ID. Но если у вас их очень много, например, узлов и элементов, то в таком взаимодействии будет огромное количество тупой и скучной работы. APDL справляется с этим, предоставляя пользователю право выбирать группы объектов определенного типа и делать их “выбранными” или “невыбранными”. После этого при вводе команд, вместо конкретного ID, можно указывать “ALL” и тогда будут использоваться только все выбранные объекты. Иногда мы ссылаемся на объекты как на выбранные «selected», а иногда — как на активные “active.” Основная концепция в том, что любой объект в ANSYS Mechanical APDL может быть в двух состояниях: active/selected или inactive/unselected. Inactive/unselected объекты не используются ни в каких командах.

Если вы захотите посмотреть на все команды APDL, которые записывает ANSYS Mechanical, то просто выберите ветвь setup и далее Tools-> Write Input File. Просмотреть его можно в любом текстовом редакторе.

Перед тем как мы перейдем непосредственно к списку команд, обозначу последнее важное замечание: старый интерфейс GUI для MAPDL можно использовать для изменения и создания моделей так же, как и ANSYS Mechanical. Любое действие, которое вы производите в старом интерфейсе GUI конвертируется в команду и сохраняется в лог файле с названием проекта (например, jobname. log). Иногда имеет смысл сначала провести необходимые операции там, а потом скопировать получившиеся команды из log файла.

И еще одно замечание: на данный момент эти команды необходимы, но с каждым релизом все больше и больше возможностей решателя переносится в интерфейс ANSYS Mechanical и все меньше требуется APDL скриптов. Так что всякий раз перед написанием скрипта сначала убедитесь, что интерфейс ANSYS Mechanical этого пока не умеет.

Команды

1. !

Восклицательный знак является комментарием в APDL. Любой текст справа от него игнорируется программой. Регулярно используйте эту команду и оставляйте частые подробные комментарии, чтобы другие люди и вы сами всегда могли понять, что именно в вашем файле происходит.

2. /PREP7 – /SOLU – /POST1 – FINISH

Программа MAPDL состоит из совокупности аж 10 процессоров (было больше, но они не были задокументированы). Отдельные команды работают только в нескольких процессорах, а большинство – только в одном из них. Если вы используете команду для препроцессора в постпроцессоре, то обязательно получите ошибку.

После создания командного объекта в ANSYS Mechanical, он может быть реализован в препроцессоре, настройках решателя (Solution processor) или в постпроцессоре, в зависимости от того, в какой ветви дерева проекта был создан. Если есть необходимость отправить команду в другой процессор, то нужно просто ввести соответствующую команду. ГЛАВНОЕ, НЕ ЗАБУДЬТЕ ПЕРЕЙТИ ОБРАТНО К ИСХОДНОМУ ПРОЦЕССОРУ после записи нужных команд.

/PREP7 – перейти к препроцессору. Здесь можно изменять формулировки элементов, модель материала и любым образом менять сетку конечных элементов.

/SOLU – перейти к настройкам решателя (Solution Processor). Чаще всего вы будете начинать отсюда, так что довольно часто нужно использовать эту команду для того, чтобы перейти обратно к исходному разделу после задания команд в /PREP7. Здесь изменяются нагрузки, граничные условия, и настройки расчета.

/POST1 – перейти к постпроцессору. Здесь можно поиграть с результатами, построить собственные графики, и использовать иные возможности APDL для обработки результатов.

FINISH – перейти к самому началу. Сюда нужно заходить если вы собираетесь работать с именами файлов.

3. TYPE – MAT – REAL – SECNUM

Вообще, вам действительно нужно знать эти команды, только если вы собираетесь писать ваши собственные элементы… но кое-что про них должен знать каждый, поскольку назначение атрибутов элементам (element attributes) имеет фундаментальное значение для работы в APDL … Так что это имеет смысл прочитать даже если вы не собираетесь писать ваши собственные элементы.

К каждому элементу в вашей модели назначаются определяющие его свойства. Когда вы определяете элемент, вместо указания всех его свойств в каждом случае, вы создаете определения и даете им номера, а затем присваиваете их к каждому элементу. Простейший пример – это свойства материала. Вы определяете набор свойств материала, присваиваете им номер, а затем присваиваете этот номер ко всем элементам в вашей модели, которые в соответствии с этими свойствами должны работать.

И вы не указываете ID при создании элементов, это был бы долгий и полный боли процесс. Вместо этого вы указываете ID для каждого типа свойств “активным” и каждому вновь созданному элементу будет назначен активный ID.

Сами команды не нуждаются в пояснениях: Type устанавливает тип элемента, MAT задает ID материала, REAL задает номер реальных констант, и SECNUM задает номер активного сечения.

Таким образом, введя следующее:

type,4
real,2
mat,34
secnum,112
e,1,2,3,4,11,12,13,14

вы получите:

     ELEM MAT TYP REL ESY SEC        NODES
      1 34   4   2   0 112      1     2     3     4    11    12    13    14
      2   3   4   4   0 200    101   102   103   104   111   112   113   114

4. ET

Решатель MAPDL поддерживает сотни элементов. Независимо от решаемой задачи, ANSYS Mechanical выбирает наилучший исходя из общих соображений элемент. Но он может быть и не лучшим для вашей конкретной модели. В таких случаях, вы можете переопределить используемые ANSYS Mechanical элементы.

Примечание: новый элемент обязательно должен иметь ту же топологию. Вы не сможете заменить 4х узловой оболочечный элемент на 8ми узловой гекса элемент. Но если расположение узлов (топология) одинаковое, то вы можете произвести замену при помощи ET команды.

5. EMODIF

Если вы определили тип элемента или ID материала в APDL и хотите внести эти изменения в большой набор элементов, то используйте EMODIF. Это наиболее быстрый способ изменения определения элемента.

6. MP – MPDATA – MPTEMP –TB – TBDATA – TBTEMP

Базовые команды определения свойств материала — это возможно наиболее часто требующиеся для пользователей ANSYS Mechanical команды APDL. Линейные свойства определяются с помощью MP команды, полиноминально зависимые от температуры – с помощью MPDATA и MPTEMP используется для задания кусочно-линейного температурного отклика. Нелинейные свойства материала определяются командами TB, TBDATA, и TBTEMP.

Никогда не помешает сохранить заданные данные по материалам, чтобы 1) иметь запись о том, что было использовано, и 2) иметь возможность использовать ту же модель материала в других проектах в будущем.

7. R – RMODIF

Если формулировка элемента определяется опциями ET команды, а свойства материала – соответствующими командами по материалам, то как определять остальное, например, толщину оболочки, свойства контакта, или жесткость для снижения эффекта песочных часов? Их нужно вводить в виде реальных констант. Если вы новичок в использовании решателя MAPDL, то к идее реальных констант вам будет немного трудно привыкнуть.

Официальное определение гласит:

Data required for the calculation of the element matrices and load vectors, but which cannot be determined by other means, are input as real constants. Typical real constants include hourglass stiffness, contact parameters, stranded coil parameters, and plane thicknesses.

Данные, требуемые для вычисления матриц и векторов нагрузки элемента, которые не определяются другими средствами, вводятся как реальные константы. Типичные реальные константы – это жесткость для снижения эффекта песочных часов, параметры контакта, параметры обмотки и толщины.

Фактически это просто место, куда нужно писать то, что больше написать некуда. R создает реальную константу, а RMODIF изменяет ее.

8. NSEL – ESEL

Как уже упоминалось, логика выбора является фундаментальной частью работы в MAPDL. Вам никогда не захочется работать с каждым объектом по отдельности, изменять, нагружать, и т. д… Вместо этого вы предпочтете объединять объекты определенного типа в “активную” группу и затем уже с работать со всеми активными объектами разом. (Этим группам также можно присваивать имена — CM-CMSEL-CMDELE команды о компонентах описаны чуть ниже)

При работе в MAPDL из-под ANSYS Mechanical вы наиболее часто будете иметь дело либо с узлами, либо с элементами. NSEL и ESEL используются для определения того, какие узлы или элементы будут являться активными. Эти команды содержат множество опций, так что не пренебрегайте информацией в ANSYS help.

9. NSLE – ESLN

Часто возникают ситуации, когда по выбранным узлам нужно выбрать приложенный к ним элемент, или наоборот от выбранного элемента перейти к выбору его узлов. NSLE и ESLN отвечают за это. NSLE выбирает все узлы текущего активного выбора элементов, а ESLN – обратную процедуру.

10. ALLSEL

При написании небольших APDL скриптов для ANSYS Mechanical люди часто совершают следующую ошибку: используют команды для выбора нужных им объектов и после всех манипуляций забывают снова выбрать все узлы и элементы модели. Если вы, используя NSEL, выберете несколько узлов модели для того, чтобы, скажем, приложить к ним силу и на этом остановитесь, то обязательно получите ошибку, поскольку эти узлы будут единственными активными во всей модели.

ALLSEL исправит эту проблему. Эта команда попросту все делает активным. Имеет смысл ВСЕГДА вносить эту строку в конец каждого скрипта, где есть что-либо связанное с выбором отдельных объектов.

11. CM – CMSEL

Если вы используете ANSYS Mechanical, то, должно быть, знакомы с концепцией именованных наборов (Named Selections). Это группы объектов (узлов, элементов, поверхностей, ребер, вершин) с присвоенным именем, по которому на них можно ссылаться, а не выбирать каждый раз по новой. В ANSYS MAPDL это называется компонентами, и команды, с ними работающие, начинаются с букв CM.

Любые геометрические именованные наборы, созданные вами в ANSYS Mechanical, превращаются в узловой компонент – все узлы выбранной в именованном наборе геометрии превращаются в узловой компонент. Вы также можете создать собственный узловой или элементный именованный набор, и он также будет создан в виде соответствующего компонента.

Вы можете использовать CM для создания ваших собственных компонентов в APDL скрипах. Ему нужно будет дать имя – и можно работать. Вы также можете выбирать компоненты с помощью команды CMSEL.

12. *GET

Чрезвычайно полезная команда в APDL. Это способ просмотреть вашу модель и найти любую полезную информацию: число узлов, наибольшее значение координаты Z среди узлов, если выбраны узлы, то нагрузки на узел, информация о результатах, и т. д…

Обязательно изучите информацию в ANSYS help по этой команде. Если вы в процессе написания скрипта с грустью произносите: “Ах если бы я только знал эту величину в моей модели…”, то скорее всего вам стоит обратиться к команде *get.

13. CSYS – LOCAL – RSYS

Системы координат очень важны в ANSYS Mechanical и ANSYS MAPDL. В большинстве случаев вы можете спокойно создать систему координат в ANSYS Mechanical. Использовать эту систему координат можно будет и в ANSYS MAPDL, но по умолчанию ANSYS Mechanical назначает автоматические ID. Для использования системы координат в MAPDL нужно указать ее номер в окне свойств: изменить предварительно свойство “Coordinate System” с “Program Defined” на “Manual” и указать номер в поле “Coordinate System ID”.

Рис 2. Определение ID системы координат в интерфейсе ANSYS Mechanical

Если есть необходимость создать систему координат прямо в APDL скрипте, используйте команду LOCAL.

Когда вы захотите использовать определенную систему координат, введите команду CSYS, чтобы сделать ее активной.

Примечание: система координат 0 – это глобальная декартова система. Если вы изменили активную систему, то убедитесь, что после скрипта вы не забыли вернуться к глобальной системе координат CSYS,0

RSYS – это что-то вроде CSYS, но для результатов. Если вы хотите построить график или получить список результатов не в глобальной системе координат, то используйте RSYS для активации нужной вам системы координат.

14: NROTATE

Еще одна очень полезная вещь, которую нужно знать – каждый узел в модели имеет ориентацию. По умолчанию степени свободы UX, UY, и UZ ориентированы в соответствии с глобальной системой координат. В ANSYS Mechanical, при задании нагрузки или граничного условия по нормали или по касательной к поверхности, программа фактически поворачивает все узлы таким образом, чтобы степень свободы была расположена нормально к поверхности.

Если вам нужно проделать это самостоятельно, например, если вы хотите приложить нагрузку или граничное условие в определенном направлении, кроме глобального декартового, используйте NROTATE. В первую очередь нужно выбрать узлы, которые будете поворачивать, далее следует указать активную систему координат CSYS, затем использовать NROTATE,ALL, чтобы повернуть узлы.

15. D

Наиболее распространенным граничным условием является перемещение, даже в температурных задачах. Для задания оного в ANSYS MAPDL скрипте, используйте команду D. Большинство людей использует набор узлов или компоненты для приложения перемещений нескольким узлам.

В простейшей форме прикладывается единственное значение для перемещения к одному узлу по одной степени свободы. Но и узлов и степеней свободы может быть несколько.

16. F

Команда F – это то же самое, что D, за исключением того, что определяет силу, а не перемещение.

17. SF – SFE

Если нужно приложить давление, то используйте либо SF для приложения к узлам, либо SFE для приложения к элементам. Работает команда во многом также как D и F.

18. /OUTPUT

Когда решатель ANSYS MAPDL находится в процессе решения, он пишет информацию в файл jobename.out, где jobname – это название вашего проекта. Иногда может возникнуть необходимость выписать определенную информацию, скажем, перечислить напряжения всех выбранных узлов. Используйте /OUTPUT,filename для перенаправления вывода в файл. После того как вы закончите нужно будет написать /OUTPUT без опций, и машина вернется к стандартному выводу.

19. /SHOW

ANSYS MAPDL имеет несколько интересных возможностей по построению графиков. Существуют тонны команд и опций для создания графиков, но наиболее важная из них — команда /SHOW,png. Она сообщает ANSYS MAPDL, что все графики, начиная с текущего момента, будут записаны в файлы в формате PNG.

Рис 3. Обработанное PNG изображение результата

20. ETABLE

Решатель ANSYS MAPDL в процессе решения находит множество величин. Чем более сложные элементы вы используете, тем большее количество величин вы можете получить. Но как добраться до наиболее скрытых? ETABLE.

Выводы

Это, конечно, не окончательный список. Спросите 20 пользователей ANSYS MAPDL какие APDL команды все пользователи ANSYS Mechanical должны знать, и вы в лучшем случае услышите пять или шесть общих. Но основываясь на данных техподдержки и собственном опыте, скажу, что именно эти 20 используются чаще всего.

Command help – это ваш незаменимый друг и товарищ. Всегда пользуйтесь им.

Кроме того, вы можете открыть ANSYS MAPDL и поиграть с этими командами, изучить их влияние на проект.

Информация взята с сайта http://www.padtinc.com/.

Прямое наблюдение эволюции вакуумной дуги с наносекундным разрешением

Фазы развития вакуумной дуги

Геометрия наших экспериментов позволяла четко различать катод (тонкий наконечник) и анод (плоская поверхность). Электроды устанавливали в высоковакуумной камере с уровнем вакуума 2,5 × 10 ^–4 Па на расстоянии нескольких мм друг от друга. Это расстояние, или длина зазора d _g, варьировалось от 0.5-5 мм в разных экспериментах. Источник импульсного высокого напряжения с шириной импульса δ T _V = 1 — 5 = 1 — 5 μ S был подключен к катоду и предусмотрено до V _MAX = -40 кВ, что было достаточно высока, чтобы обеспечить появление дуги в каждом отдельном импульсе.

На рисунке 1 показаны типичные формы волны напряжения и тока, записанные во время события пробоя для установки с г _г = 5 мм и δ T _V = 1 μ S (см. вставку к рис.1 для геометрии установки). Абсцисса, левая ордината и правая ордината показывают время, напряжение промежутка и ток промежутка соответственно. На рис. 1 мы выделяем четыре основные фазы развития вакуумной дуги. Фаза P0, фаза зарядки, начинается при подаче импульса от источника напряжения ( t _s ). Во время P0 конденсатор промежутка вместе с паразитными емкостями системы (небольшой начальный пик на форме тока) заряжается, и напряжение промежутка начинает расти.P0 заканчивается при t = t ₀ , когда ток начинает быстро расти. t ₀ также определяется как начало оси времени в наших экспериментах. На следующей фазе P1 ток возрастает до I _max = 80 A. Отметим, что напряжение продолжает расти кратковременно до t _VP ; только после этого момента он падает до околонулевого значения, когда ток достигает I _max . Однако мы связываем начальную точку вакуумной дуги с t ₀ , а не с t _VP , так как ожидается, что напряжение будет продолжать расти после появления тока через промежуток. На этой начальной стадии дуги ток еще недостаточен для потребления напряжения на промежутке. Это ожидание подтверждается моделированием Simulink ³⁴, выполненным для той же схемы и условий, которые использовались в эксперименте (подробности см. в разделе S1 дополнительных материалов).Рис. 1 с. Геометрия электродов показана на вставке. P0-P3 обозначает различные фазы развития дуги, T _{T , , _{0, T _VP и T _{V 0} Обозначим к экземплярам при система начала заряжаться, ток начал расти, напряжение достигло своего максимального значения, а напряжение упало до нуля, соответственно.}}

Также отметим, что падение напряжения до околонулевого значения и рост тока до I _max завершаются примерно в один и тот же момент, который мы определяем как t _{V 0} и связать с началом следующей фазы установившейся дуги Р2, которая длится до конца импульса. Последней фазой Р3 является затухание разряда, во время которого напряжение и ток через промежуток падают до нуля, завершая процесс вакуумной дуги.Подтверждено существование всех четырех фаз вакуумной дуги при различной длительности импульса напряжения Δ t _В = 1 − 5 µ с. Соответствующее сравнение приведено в Дополнительных материалах (S3), где мы показываем, что более длинные Δ t _V только увеличивали продолжительность установившейся фазы дуги P2, в то время как фазы P0, P1 и P3, которые определяют динамика развития дуги одинакова и не зависит от длительности импульса.

Зависимость осциллограмм от длины зазора

Так как было высказано предположение, что длина зазора влияет на роль электродов в процессе вакуумного дугообразования ⁵ , мы провели серию экспериментов, в которых зафиксировали все экспериментальные параметры кроме d _g , варьируя от 0,5 мм до 5 мм. Эти результаты показаны на рис. 2.

Рисунок 2

Типичные формы сигналов тока ( a ) и напряжения ( b ) для четырех различных длин зазоров, как показано на рисунке.Длительность импульса 1 мкс с.

Как видно на этом рисунке, на формы сигналов тока (рис. 2a) и напряжения (рис. 2b) влияет изменение d _g . Чем короче этот параметр, тем дальше t ₀ сдвигается в сторону более ранних времен, уменьшая продолжительность фазы P0. С другой стороны, для более длинных d _g фаза нарастания тока (P1) длится дольше. Мы проанализировали эти вариации, и результаты представлены на рис.3(а). Здесь точками показана продолжительность фаз P0 и P1, усредненная по 50 независимым измерениям. Соответствующие планки погрешностей показывают стандартное отклонение от среднего значения. Как видно, увеличение длительности фазы P1 существенно с увеличением d _g , а начальная точка вакуумной дуги t ₀ значительно меньше зависит от размера зазор между электродами.

Рисунок 3

Зависимость длительности фаз P0 и P1 ( a ) и напряжения пробоя ( b ) от длины промежутка.Соответствующие планки погрешностей указывают стандартное отклонение, полученное из 50 повторений измерений для каждой длины зазора.

На рис. 3b показано, что напряжение пробоя, то есть напряжение при t ₀ , систематически уменьшается с увеличением длины промежутка. Это ясно указывает на то, что дуга зажигается, когда локальное электрическое поле на вершине катодной иглы достигает некоторого критического значения. Чтобы свести к минимуму влияние обработки поверхности на напряжение пробоя, измерения, показанные на рис.3б сняты после не менее 1000 пробоев на одних и тех же электродах. Мы рассчитали распределение электрического поля вокруг вершины катода методом конечных элементов (см. раздел «Метод») и нашли, что для всех d _g максимальное электрическое поле при t ₀ равно 160 ± 30 МВ/м, что на удивление хорошо согласуется с измерениями полей пробоя для плоских медных электродов ^20,35 .

На основании проведенных экспериментов делаем вывод, что увеличение длины промежутка повлияло на продолжительность выявленных фаз развития вакуумной дуги, однако не повлияло кардинально на процесс вакуумного дугообразования, что свидетельствовало бы о переключении опережающих Роль электродов в этом процессе.

Наблюдение за развитием вакуумной дуги с наносекундным разрешением

Вакуумные дуги наблюдались через окно с помощью камеры прибора с зарядовой связью (ICCD, Andor Dh434T-18U-04). Электронное управление затвором ICCD позволяет сократить время экспозиции t _w до 2 нс. Однако физическое ограничение устройства позволяет делать не более пяти снимков в секунду. Поскольку длительность импульса составляет всего несколько мкс с, мы смогли получить только один выстрел в импульсе.

Чтобы воспроизвести всю эволюцию вакуумной дуги с наносекундным разрешением, мы многократно повторяли эксперимент, постепенно оттягивая момент выстрела ICCD на интервал Δ t нс по отношению к времени пробоя t ₀ (подробности см. в разделе «Методы»). Повторяемость экспериментов подтверждена и показана в дополнительном материале (S2).

На рис. 4 показана полная эволюция света, излучаемого во время вакуумной дуги, для расстояния промежутка d _g = 5 мм и длительности импульса 5 µ с.Рассматривая кадры на рис. 4, мы видим, что вакуумная дуга имеет три основных этапа по отношению к световому излучению, регистрируемому камерой ICCD. На первом этапе, который длится 250 нс (первые пять кадров на рис. 4), свет излучается с кончика катода, а анод остается темным. Также на этом этапе постепенно увеличивается интенсивность света, излучаемого катодом. На 250 нс анод начинает излучать и разряд переходит во вторую стадию, характеризующуюся свечением обоих электродов.На этом этапе анодное свечение постепенно расширяется, пока не охватит весь промежуток на 2000 нс (12-й кадр на рис. 4). Наконец, на последней стадии анодное свечение начинает затухать еще до окончания импульса напряжения и в конечном итоге исчезает из промежутка. Однако катод все еще светится до 6000 нс после полного отключения питания на 5000 нс. После этого ICCD не регистрировал никакого излучения из щели.

Рис. 4

Световое излучение с наносекундным разрешением в процессе вакуумной дуговой сварки.Зазор составляет 5 мм, а длительность импульса 5 мкс с. Электроды обведены белыми пунктирными линиями (катод в виде тонкого длинного острия, анод в виде большой плоской поверхности). Цифры под каждым кадром обозначают время задержки Δ t . Время экспозиции камеры составляет t _w = 50 нс.

Короче говоря, на основе анализа световой визуализации мы выделяем три основных этапа развития вакуумной дуги. Это стадия катодного излучения, стадия расширения анодного света и, наконец, стадия затухания анодного света.

Световое излучение с временным разрешением во время вакуумных дуг с длиной зазора 3 мм и 1 мм можно найти в дополнительных материалах (S6). Для разных длин промежутков мы видим поведение, подобное представленному на рис. 4, но со значительными различиями в продолжительности каждого этапа. Конечные точки трех этапов приведены в таблице 1 для всех четырех длин зазоров. Последний столбец таблицы 1 содержит продолжительность текущей фазы нарастания P1 для целей сравнения. Напомним, что окончание P1 соответствует моменту, когда напряжение падает близко к нулю и в промежутке образуется проводящий канал.

Таблица 1 Моменты окончания каждой из трех стадий эволюции светового излучения при развитии вакуумной дуги. Время отсчитывается от t ₀ для разных длин зазоров, d _g . Последний столбец соответствует концу фазы нарастания тока P1.

Из результатов рис. 4 и таблицы 1 вытекают три важных наблюдения. Во-первых, катодное излучение появляется сразу после того, как происходит пробой и начинает расти ток.Значительная часть фазы нарастания тока Р1 совпадает со стадией свечения катода. Стадия расширения анодного света начинается довольно поздно в фазе P1 (сравните второй и последний столбцы в таблице 1), т. е. когда ток промежутка уже достаточно высок, а напряжение начало падать. Во-вторых, вторая стадия простирается далеко в фазу P2 и момент перекрытия светом всего промежутка наступает значительно позже, чем спад напряжения и образование полной проводящей дорожки в промежутке.Наконец, продолжительность двух первых стадий излучения катода и расширения света анода сильно зависит от длины промежутка.

Анализ катодного и анодного свечения

Сильные вспышки света, которые мы наблюдаем на снимках, полученных во время вакуумной дуги (рис. 4), не дают точной информации об интенсивности этого света. Для оценки вклада каждого электрода в свечение в промежутке анализируем интенсивность светового излучения следующим образом.

Сначала мы увеличиваем камеру, чтобы сфокусироваться на области катода, и устанавливаем время экспозиции 7 мкс с, чтобы захватить весь процесс разряда; На рис. 5(а) показан типичный снимок такой экспозиции. Мы видим, что источник света выглядит как чрезвычайно сфокусированное сферическое пятно с максимальной интенсивностью в его центре, которая более чем на два порядка превышает интенсивность окружающего света. Суммарная интегральная интенсивность этого света, полученная в опытах с разными d _g и Δ t _V, не проявляла зависимости от длины зазора, а линейно возрастала с увеличением Δ t _V (подробности см. в Дополнительных материалах S4).Кроме того, диапазон пика (т. е. размер катодного пятна) от полной ширины до половины максимума (FWHM) также постоянен и составляет около 0,1 мм для всех расстояний зазора. Такая согласованность наблюдений свидетельствует о том, что распределение интенсивности света катодного пятна является стабильным и постоянным на протяжении всего дугового процесса, независимо от длины промежутка или длительности импульса. Рисунок 5( b ) Распределение интенсивности света вдоль зазора. Кривые получены суммированием интенсивности в горизонтальном направлении (параллельно анодной пластине), нормированием на ее максимальное значение и усреднением 10 различных повторений измерений.

Увеличив масштаб камеры, мы смогли зафиксировать общую интенсивность света, излучаемого во время дуги, во всем зазоре. Сравнивая интенсивность света, излучаемого анодом и катодом, мы можем изучить вклад обоих источников света, чтобы сделать вывод о том, какой электрод играет ведущую роль в процессе вакуумной дуги.На рис. 5(b) мы наносим нормированные распределения интенсивности (интегрированные по латеральным направлениям) вдоль зазора для различных длин зазора d _g . Поскольку мы обнаружили, что максимальная интенсивность света катода не зависит от d _g , мы использовали его в качестве эталона. Следовательно, все кривые на рис. 5(б) нормированы по пиковым значениям интенсивности света на катоде. Мы отчетливо видим, что интенсивность света на катодном пике значительно выше, чем на аноде, так как и интенсивность, и продолжительность катодного свечения значительно выше и продолжительнее анодного. Однако пик, соответствующий анодному свечению, растет с увеличением d _g . Ясно, что свечение анода возникает как вторичный эффект, вызванный событиями, развивающимися на катоде.

Тот факт, что анодное свечение начинается после того, как ток электронов через промежуток увеличился почти до максимального значения, свидетельствует о том, что свечение на аноде возникает в результате нагрева поверхности электронным током. Этот сценарий также согласуется с тем фактом, что энергия, доступная для нагрева анода, увеличивается с длиной промежутка, так как продолжительность фазы P1 (нарастание тока) больше, а напряжение пробоя при t ₀ выше.

Вышеприведенная гипотеза о природе анодного свечения может быть подтверждена экспериментально путем изучения реакции анодного свечения на приложение магнитного поля, перпендикулярного протеканию тока в промежутке. Для этой цели мы использовали другую тройную конфигурацию электродов. Одноконечный катод помещался в середину двухконтурного анода. Перпендикулярное расстояние от вершины катодного наконечника к верхам анодных наконечников составляло г _г = 3 мм, а ширина импульса напряжения была δ T _V = 1 μ с.На рис. 6 представлены фотографии разрядов между электродами с магнитным полем B = 280 мТл, приложенным либо наружу (рис. 6а), либо внутрь (рис. 6б) относительно плоскости рисунка. Рис. 6 Здесь анод имеет форму двух наконечников вместо простой плоской пластины. Длина зазора g _d = 3 мм измеряется между вершинами наконечников вдоль зазора.Прикладывали магнитное поле 280 мТл в направлении наружу ( a ) и внутрь ( b ) к плоскости электродов. Направления магнитных полей показаны в левом верхнем углу рисунков. Время экспозиции камеры составляло 2 мкс с и фиксировало весь процесс разряда.

Эволюция вакуумной дуги в этой экспериментальной конфигурации была аналогична той, которую мы наблюдали для простого плоского анода без магнитного поля. Однако, как видно на рис.6 систематически определялось направление поля, где возникло анодное свечение: справа, когда поле направлено наружу (рис. 6а), и слева, когда оно направлено внутрь (рис. 6б). Это согласуется с отклонением отрицательно заряженных частиц, движущихся от катода к аноду. Это наблюдение подтверждает, что анодное свечение инициируется электронами, ударяющимися о поверхность анода и нагревающими ее. Нагретый анод начинает испускать пар, который взаимодействует с поступающими электронами, создавая свечение, распространяющееся от поверхности анода.

Анализ анодного свечения

В предыдущих разделах мы предположили, что анодное свечение может начаться из-за воздействия электронов, вылетевших из катодного пятна. Здесь мы подтвердим это объяснение, сравнив повреждения поверхностей катода и анода и оценив изменение температуры анода.

Для оценки степени повреждения поверхности, соответствующей катодному и анодному свечению, были проведены исследования поверхности катода и анода с помощью СЭМ (сканирующего электронного микроскопа) как до, так и после электрических разрядов. было использовано. На рисунке 7 показаны соответствующие изображения, полученные с помощью Hitachi S-3000N SEM, для зазора 3 мм. На поверхности катода наблюдается отчетливое плавление, в то время как на аноде не наблюдается никаких признаков процесса плавления. Многие микроскопические особенности, обнаруженные до разрушения (см., например, красный кружок на рис. 7в), все еще присутствуют после эксперимента (рис. 7г). Напротив, поверхность катода сильно повреждена, представляя собой затвердевшую жидкость (ср. рис. 7а, б, поврежденные участки указаны стрелками на рис.7б). Повреждение поверхности катода позволяет предположить, что соответствующее интенсивное свечение можно объяснить наличием полностью развитой дуговой плазмы ^36,37 , а практически неизмененную поверхность анода необходимо дополнительно исследовать, оценив ее температуру.

Рисунок 7
СЭМ-изображения для поверхностей катода и анода до и после вакуумных разрядов в зазоре 3 мм. ( a ) Поверхность катода перед разрядом; ( b ) поверхность катода после разрядов; ( c ) поверхность анода перед разрядом; ( d ) Поверхность анода после разрядов.Красные кружки в ( c ) и ( d ) указывают на одно и то же положение. Шкала длины указана линейкой, состоящей из 11 точек в правом нижнем углу.
С этой целью мы численно решили одномерное зависящее от времени уравнение диффузии тепла для плоской медной пластины, как описано в разделе «Метод». Зная обе формы волны напряжения на промежутке и тока через промежуток, мы можем оценить мощность нагрева, выделяемую электронами, достигающими поверхности анода (подробности см. в разделе «Метод»).Эта оценка сделана в предположении, что на стадии катодного излучения дуги (до начала свечения анода) электроны свободно ускоряются напряжением промежутка и отдают всю свою энергию анодной пластине.
На рис. 8 показано изменение расчетной температуры поверхности анодной пластины и давления пара, соответствующего этой температуре, на стадии катодного излучения для трех типичных экспериментов при длинах зазора d _g = 1, 3 и 5 мм. Мы видим, что температуры достигают температуры плавления Cu (1356 K) для всех расстояний зазора с соответствующим давлением паров, превышающим 0,1 Па, что соответствует плотности нейтральных атомов порядка 10 ¹⁸ –10 ¹⁹ м ⁻³ . Электроны, сталкиваясь с этими нейтральными атомами, могут вызывать расширяющееся свечение, возникающее вблизи анода. Рис. 8 (сплошные линии) и d _г = 3 мм (пунктирные линии) и d _г = 5 мм (пунктирные линии).Максимальная глубина расплавленной области не превышает 0,5 µ м для всех случаев.
Кроме того, давление пара достигает этого диапазона в разном временном масштабе для каждой длины зазора (при 40, 100 и 230 нс для d _g = 1, 3, 5 мм соответственно). Эти временные шкалы согласуются со временем появления анодного свечения (см. рис. 5 и рис. S7, S8 дополнительного материала), то есть продолжительностью стадии катодного излучения (см. таблицу 1).Последнее увеличивается с увеличением расстояния зазора, потому что электронный пучок распространяется шире, уменьшая выделение тепла на единицу площади. Это означает, что с увеличением длины зазора аноду требуется большее время для нагрева до температуры, достаточной для интенсивного испарения.
Наконец, хотя выделяемого электронами тепла достаточно для расплавления поверхности анода во всех случаях, максимальная глубина расплавленной области не превышает 0,5 мк м для всех случаев. Следовательно, тепло не проникает на глубину, достаточную для того, чтобы вызвать заметное повреждение от плавления, как показано на изображениях РЭМ на рис.7.
Онлайн-кампус микроскопии ZEISS | Ксеноновые дуговые лампы
Введение
Ксеноновые и ртутные плазменные лампы с короткой дугой демонстрируют самую высокую яркость и мощность излучения среди всех непрерывно работающих источников света и очень близко приближаются к идеальной модели точечного источника света. В отличие от ртутных и металлогалогенных источников освещения, дуговая ксеноновая лампа отличается тем, что она дает практически непрерывный и однородный спектр во всей видимой области спектра.Поскольку профиль излучения ксеноновой лампы имеет цветовую температуру примерно 6000 К (близкую к температуре солнечного света) и не имеет заметных линий излучения, этот источник освещения более выгоден, чем ртутные дуговые лампы, для многих применений в количественной флуоресцентной микроскопии. Фактически, в сине-зеленой (от 440 до 540 нанометров) и красной (от 685 до 700 нанометров) областях спектра 75-ваттная ксеноновая дуговая лампа ярче, чем сопоставимая 100-ваттная ( HBO 100) ртутная дуговая лампа. Подобно ртутным лампам, ксеноновые дуговые лампы обычно упоминаются с использованием зарегистрированного товарного знака как лампы XBO ( X для Xe или ксенона; B — символ яркости; O — для принудительного охлаждения). представлена научному сообществу в конце 1940-х гг. Популярная XBO 75 (75-ваттная ксеноновая дуговая лампа) более стабильна и имеет более длительный срок службы, чем аналогичная ртутная лампа HBO 100, но излучение видимого света составляет лишь около 25 процентов от общего светового потока, при этом большая часть энергия попадает в менее полезную инфракрасную область спектра. Приблизительно 70 процентов выходного сигнала ксеноновой дуговой лампы приходится на длину волны более 700 нанометров, в то время как менее 5 процентов выходного сигнала приходится на длину волны менее 400 нанометров. Чрезвычайно высокое давление ксеноновых ламп во время работы (от 40 до 60 атмосфер) уширяет спектральные линии, что приводит к гораздо более равномерному распределению возбуждения флуорофоров по сравнению с узкими и дискретными линиями излучения ртутных ламп.Таким образом, дуговая ксеноновая лампа больше подходит для строгих задач, требующих одновременного возбуждения нескольких флуорофоров в широком диапазоне длин волн в аналитической флуоресцентной микроскопии.
Несмотря на то, что ксеноновые лампы производят широкополосное, почти непрерывное излучение, имеющее цветовую температуру, близкую к солнечному свету в видимом диапазоне длин волн (часто называемом белым светом ), они демонстрируют сложный линейчатый спектр в диапазоне от 750 до 1000 нанометров ближнего диапазона. инфракрасный спектр (см. рис. 1).Кроме того, около 475 нанометров в видимой области существует несколько линий с более низкой энергией. В диапазоне от 400 до 700 нанометров примерно 85 процентов всей энергии, излучаемой ксеноновой лампой, приходится на континуум, тогда как около 15 процентов приходится на линейчатый спектр. Спектральный выход (цветовая температура) ксеноновой лампы не изменяется по мере старения устройства (даже до конца срока службы) и, в отличие от ртутных дуговых ламп, полный профиль излучения возникает мгновенно при включении.Мощность ксеноновой лампы остается линейной в зависимости от приложенного тока и может регулироваться для специализированных приложений. Кроме того, спектральная яркость не изменяется при изменении тока лампы. Типичная лампа XBO 75 производит световой поток примерно 15 люмен на ватт, но лампе требуется несколько минут после зажигания, чтобы достичь максимальной светоотдачи из-за того, что давление газа ксенона внутри колбы продолжает увеличиваться, пока она не достигнет конечной рабочей температуры. и достигает теплового равновесия.
Максимальное распределение яркости рядом с катодом в области дуги ксеноновой лампы XBO 75 (часто называемой горячей точкой или плазменным шаром ) составляет примерно 0,3 x 0,5 миллиметра и может учитываться для всех практических целей. в оптической микроскопии — точечный источник света, создающий коллимированные лучи высокой интенсивности при правильном направлении через систему конденсирующих линз в фонаре. В большинстве приложений флуоресцентной микроскопии свет, собранный от дуги ксеноновой лампы, отражается на точечном отверстии или задней апертуре объектива.Типичная контурная карта лампы XBO 75 показана на рис. 2(а), а распределение силы светового потока для той же лампы показано на рис. 2(б). На контурной карте яркость дуги наиболее интенсивна на кончике катода и быстро падает вблизи анода. Картина интенсивности потока (рис. 2(b)) демонстрирует, по большей части, превосходную вращательную симметрию вокруг лампы, но затенена электродами в областях, окружающих ноль и 180° на карте, где интенсивность резко падает.В ксеноновых дуговых лампах общая выходная мощность лампы составляет более 1000 нанометров в спектральной полосе пропускания, при этом на плазменную дугу и электроды приходится примерно половина общего излучения. Существенный вклад электродов обусловлен их большой площадью поверхности и высокими температурами. Большая часть излучения с более низкой длиной волны (по сути, видимый свет) исходит от плазменной дуги, тогда как на электроды приходится большая часть инфракрасного излучения (выше 700 нанометров). Свечение и интенсивность излучения, генерируемые дуговыми лампами, являются критически важными элементами для инженеров при проектировании оптики и стратегии охлаждения систем распределения света для применений в оптической микроскопии.
Оптическая мощность ксеноновых (XBO) дуговых ламп

Набор фильтров Возбуждение
Фильтр
Ширина полосы (нм) Дихроматический
Зеркальный
Граница (нм) Мощность
мВт/см ²
ДАПИ (49) ¹ 365/10 395 ЛП 5.6
CFP (47) ¹ 436/25 455 ЛП 25,0
GFP/FITC (38) ¹ 470/40 495 ЛП 52,8
YFP (S-2427A) ² 500/24  520 ЛП 35. 4
ТРИТЦ (20) ¹ 546/12 560 ЛП 12,2
ТРИТЦ (S-A-OMF) ² 543/22 562 ЛП 31,9
Техасский красный (4040B) ² 562/40 595 ЛП 54.4
mCherry (64HE) ¹ 587/25 605 ЛП 27,9
Cy5 (50) ¹ 640/30 660 ЛП 22,1
gif»>

¹ Фильтры ZEISS ² Фильтры Semrock
Таблица 1
В таблице 1 представлены значения оптической выходной мощности типичного 75-ваттного источника света XBO после прохождения через оптическую систему микроскопа и выбранные наборы флуоресцентных фильтров.Мощность (в милливаттах/см ² ) измеряли в фокальной плоскости объектива микроскопа (40-кратный сухой флюорит, числовая апертура = 0,85) с использованием радиометра на основе фотодиодов. Для проецирования света через объектив в датчик радиометра использовалось либо зеркало с коэффициентом отражения более 95% от 350 до 800 нанометров, либо стандартный набор флуоресцентных фильтров. Потери светопропускной способности в системе освещения микроскопа могут варьироваться примерно от 50 до 99 процентов входной мощности, в зависимости от механизма соединения источника света и количества фильтров, зеркал, призм и линз в оптической цепи. Например, для типичного инвертированного микроскопа исследовательского класса, соединенного с ламповым блоком XBO на входе эпи-осветителя, менее 70 процентов света, выходящего из системы собирающих линз, доступно для возбуждения флуорофоров, расположенных в фокусе объектива. самолет.
Ориентация ксеноновой лампы имеет решающее значение для правильной работы и долговечности. В тех лампах, которые предназначены для вертикальной работы (до угла отклонения от оси 30), анод расположен вверху, а катод находится внизу в нижней части лампы.Эта конфигурация осесимметрична и обеспечивает отличные характеристики дуги. Напротив, лампы, предназначенные для горизонтальной работы (хотя они также могут работать и вертикально), создают дугу, требующую стабилизации, чтобы уменьшить преждевременный и ускоренный износ электродов. Горизонтальная работа лампы не отличается симметрией, присущей вертикальной работе лампы, хотя такая ориентация требуется для некоторых конструкций ламповых домов. Стабилизация дуги в горизонтальных лампах проще всего достигается с помощью стержнеобразных магнитов, установленных параллельно оси лампы, непосредственно под колпаком. Магнитное поле тянет дугу вниз, повышая стабильность, которую можно точно настроить, изменяя расстояние между магнитом и оболочкой. Изменение положения лампы путем поворота на 180 градусов в период полураспада лампы позволяет более равномерно распределить испарившийся электродный материал на внутренних стенках оболочки. Следует отметить, что разумным выбором является использование вертикальной ориентации ксеноновых ламп, когда это возможно, в конфигурациях флуоресцентной микроскопии.
Срок службы ксеноновой дуговой лампы в первую очередь определяется уменьшением светового потока из-за испарения вольфрама, который со временем осаждается на внутренней стенке колбы. Распад наконечника катода и воздействие ультрафиолетового излучения на кварцевую оболочку также способствуют старению лампы и стабильности. Частые возгорания лампы ускоряют износ электродов и приводят к преждевременному почернению оболочки. Почернение постепенно снижает светоотдачу и сдвигает спектральные характеристики в сторону более низкой цветовой температуры. Почернение лампы, которое увеличивает рабочую температуру оболочки из-за поглощения энергии излучаемого света, происходит медленно на ранних стадиях срока службы лампы, но быстро увеличивается на более поздних стадиях. Другими факторами, негативно влияющими на срок службы ксеноновой лампы, являются перегрев, слабый ток, пульсации источника питания, неправильное положение горения, чрезмерный ток и неравномерное почернение оболочки. Средний срок службы лампы (рассчитанный производителями) основан на периоде горения приблизительно 30 минут для каждого случая возгорания.Конструкция ксеноновой дуговой лампы Дуговые ксеноновые лампы
изготавливаются со сферическими или эллипсоидальными оболочками, состоящими из плавленого кварца, одного из немногих оптически прозрачных материалов, способных выдерживать чрезмерные тепловые нагрузки и высокое внутреннее давление, воздействующее на материалы, используемые при изготовлении этих ламп. Для большинства применений в оптической микроскопии ксеноновые лампы обычно содержат кварцевый сплав, легированный соединениями церия или диоксидом титана для поглощения ультрафиолетовых длин волн, которые служат для образования озона во время работы. Типичный плавленый кварц пропускает свет с длиной волны до 180 нанометров, тогда как легирование стекла ограничивает излучение лампы длиной волны выше 220 нанометров. Ксеноновые лампы, оборудованные для работы без озона, часто обозначаются кодом OFR для обозначения их класса. Подобно процессу изготовления ртутных ламп, кварц, используемый для корпусов ксеноновых ламп, изготавливается из трубок высочайшего качества, которые тщательно формируются на токарном станке в готовую колбу с помощью методов расширения воздуха.Во время работы корпус лампы может нагреваться до температуры от 500 до 700°С, что требует жестких производственных допусков для сведения к минимуму риска взрыва.
Анодные и катодные электроды в ксеноновых дуговых лампах изготавливают из кованого вольфрама или специальных вольфрамовых сплавов, легированных оксидом тория или соединениями бария для снижения работы выхода и повышения эффективности электронной эмиссии. В производстве ксеноновых дуговых ламп используются только самые чистые сорта вольфрама. Высококачественный вольфрам имеет очень низкое давление паров и гарантирует, что электроды ксеноновых ламп способны выдерживать чрезвычайно высокие температуры дуги (более 2000 C для анода), возникающие во время работы, и помогает свести к минимуму накопление отложений на оболочке. Из-за сложности обработки электродов с такими высокочистыми сортами вольфрама на протяжении всего процесса требуются керамические инструменты, чтобы избежать попадания загрязняющих веществ. После изготовления катод припаивается к молибденовому стержню или пластине для поддержки, но стержень анода состоит из твердого вольфрама, поскольку он подвергается гораздо более высоким температурам из-за постоянной бомбардировки электронами, испускаемыми катодом.Оба электрода проходят ультразвуковую очистку и термообработку для удаления остатков смазки и загрязнений перед их герметизацией в колбе лампы.
Значительное внимание уделялось конструкции катодов ксеноновых ламп, направленной на повышение стабильности дуги во время работы. В обычных лампах с вольфрамовыми электродами, легированными торием, точка испускания дуги на катоде периодически смещается из-за локализованных изменений эмиссии электронов с поверхности, явление, известное как дрейф дуги (см. рис. 3(a)).Этот артефакт, интенсивность которого увеличивается по мере износа наконечника, приводит к мгновенным колебаниям яркости лампы, называемым бликом , когда дуга перемещается в новую область на катоде (рис. 3(b)). Дуга флаттер описывает быстрое боковое смещение столба дуги за счет конвекционных потоков, возникающих при нагревании газообразного ксенона дугой и охлаждении внутренними стенками оболочки (рис. 3(с)). Кроме того, острые наконечники катодов, легированных торием, изнашиваются быстрее, чем катоды, изготовленные из современных сплавов оксидов редкоземельных элементов.Лампы с передовой катодной технологией часто называют сверхтихими , и они продемонстрировали высокую кратковременную стабильность дуги менее чем на полпроцента, а также сниженную скорость дрейфа менее 0,05 процента в час работы. Долгосрочный анализ высокоэффективной работы катода показывает, что износ значительно снижается, а смещение точки дуги в течение среднего срока службы лампы практически исключено. В результате, после того, как сверхтихая ксеноновая лампа первоначально выровнена с другими элементами оптической системы микроскопа, как правило, нет необходимости в повторной регулировке положения в течение всего срока службы лампы.
На этапах герметизации сборки лампы катод и анод крепятся к полоскам очень тонкой молибденовой ленты в градуированном уплотнении, которое компенсирует разницу в тепловом расширении между кварцевой трубкой и металлическими стержнями электродов. Функциональное уплотнение создается путем термопрессования кварцевой трубки с молибденовой фольгой на токарном станке, находящемся под вакуумом для предотвращения окисления. Высокие температуры сжатия позволяют расплавленному кварцу разрушаться вокруг молибденовой фольги, образуя газонепроницаемое уплотнение.После герметизации электродов в корпусе кварцевой лампы и отжига сборки для снятия деформации оболочка наполняется газообразным ксеноном высокой чистоты (99,999%) до давления 10 атмосфер через наполнительную трубку, прикрепленную к колбе оболочки. Затем лампу охлаждают жидким азотом для затвердевания газообразного ксенона и удаляют наполнительную трубку, чтобы полностью запечатать оболочку. После возврата к комнатной температуре готовая лампа подвергается давлению, поскольку ксенон возвращается в газообразное состояние.
Заключительный этап процесса сборки ксеноновой лампы состоит из добавления никелированных латунных наконечников, называемых наконечниками или основаниями , к каждому концу колбы.Наконечники, которые должны выдерживать температуру до 300°C, выполняют двойную функцию, действуя как электрические соединения с источником питания, а также как механическая опора для точной фиксации лампы в правильном оптическом положении внутри фонаря. Многие конструкции наконечников включают в себя гибкий подводящий провод внутри основания, который соединяется с герметичными электродами, чтобы исключить возможность отказа лампы из-за напряжения или деформации между стержнем электрода и латунным наконечником. Феррулы крепятся к запаянным концам кварцевой оболочки с помощью углеграфитовой ленты или термостойкого клея.Ксеноновые лампы и блоки питания
Конструкция ламп для ксеноновых дуговых ламп имеет решающее значение для долговечности и рабочих характеристик лампы. Важнейшим из конструктивных соображений является тот факт, что эти лампы работают при чрезвычайно высоком внутреннем давлении (обычно более 50 атмосфер), поэтому при выборе конструкционных материалов следует учитывать возможность взрыва. Поскольку дуговые лампы расширяются из-за избыточного тепла, выделяющегося при работе, к корпусу следует жестко прижимать только один конец лампы; другой конец можно закрепить гибкой металлической полосой или накрыть радиатором и присоединить к соответствующей внутренней электрической клемме кабелем (см. рис. 4).Ксеноновые лампы должны иметь достаточное охлаждение, чтобы ксеноновые лампы могли работать при температуре менее 750°С на поверхности оболочки и менее 250°С у основания. Чрезмерно высокие температуры быстро приводят к окислению выводов электродов, ускоренному износу оболочки и повышают вероятность преждевременного выхода лампы из строя. В случае ламп малой мощности (менее 250 Вт) обычно достаточно конвекционного охлаждения в хорошо проветриваемом помещении лампы, но для ламп большей мощности часто требуется охлаждающий вентилятор.Высокие напряжения срабатывания (от 20 до 30 кВ), необходимые для зажигания ксеноновых ламп, требуют использования качественных изоляционных материалов в электропроводке фонаря, а кабель питания должен выдерживать напряжение свыше 30 кВ. Кроме того, кабель питания должен быть как можно короче, развязан и находиться вдали от корпуса микроскопа и других металлических инструментов (таких как компьютеры, контроллеры фильтров и цифровые камеры) в непосредственной близости.
Большинство высокопроизводительных ксеноновых ламп включают внутреннее отражающее зеркало, соединенное с системой линз выходного коллектора, которая создает коллимированный световой пучок высокой интенсивности. Конструкции собирающих отражателей варьируются от простых вогнутых зеркал до сложных эллиптических, сферических, асферических и параболических геометрических форм, которые более эффективно организуют и направляют излучение лампы на собирающую линзу, а затем через микроскоп. Использование гальванического конического отражателя может обеспечить номинальную эффективность сбора до 85 процентов, что является значительным улучшением по сравнению с обычными системами обратного отражателя, которые имеют эффективность в диапазоне от 10 до 20 процентов.Специализированные отражатели могут быть легко разработаны с помощью простых методов трассировки лучей. Покрытия на всех собирающих зеркалах должны быть дихроичными, чтобы пропускать инфракрасные (тепловые) волны. Ксеноновые лампы также выигрывают от наличия фильтров, блокирующих инфракрасное излучение, таких как стеклянный фильтр Schott BG38 или BG39 и/или теплое зеркало или холодное зеркало (в зависимости от длины волны, передаваемой или отражаемой), для ослабления или блокировки длин волн инфракрасного излучения и защиты образца (живые клетки) от избыточного тепла.Кроме того, твердотельные детекторы в электронных камерах, особенно в формирователях изображения на ПЗС, также особенно чувствительны к инфракрасному свету, который может затуманивать изображение, если на пути света не установлены соответствующие фильтры.
Ксеноновые лампы
обычно имеют стандартную конфигурацию с дуговой лампой, расположенной в фокусе линзы коллектора, так что волновые фронты, выходящие из источника, собираются и грубо коллимируются, выходя из лампы в виде параллельного пучка (рис. 4).Рефлектор также расположен на той же оси, что и лампа и коллектор, чтобы гарантировать, что перевернутое виртуальное изображение дуги может быть создано рядом с лампой. Свет от отраженного виртуального изображения также собирается собирающей линзой, что увеличивает мощность освещения. Вторая система линз (называемая конденсорной линзой ), расположенная внутри осветителя микроскопа, необходима для того, чтобы сфокусировать параллельные лучи, выходящие из лампы, в задней фокальной плоскости объектива. Как правило, фокусное расстояние системы конденсирующих линз намного больше, чем фокусное расстояние коллектора, в результате чего увеличенное изображение дуги проецируется на заднюю фокальную плоскость объектива.Конечным результатом является то, что свет, выходящий из передней линзы объектива и направляющийся к образцу, идет примерно параллельно, что обеспечивает равномерное освещение поля зрения. Обратите внимание, что во время выравнивания фонаря свет, собранный собирающим отражателем, не должен быть непосредственно сфокусирован на стенках оболочки лампы (вблизи дуги), чтобы избежать прямого нагрева колбы ее собственным излучением. Это действие приведет к чрезмерному нагреву лампы. Вместо этого расположите виртуальное изображение дуги с одной или с другой стороны лампы.
Одно из основных требований к использованию ксеноновой дуговой лампы для количественной флуоресцентной микроскопии заключается в том, что выходное излучение должно быть стабильным. Выходная интенсивность излучения ксеноновой лампы приблизительно пропорциональна току, протекающему через лампу. Таким образом, для обеспечения максимальной стабильности блок питания должен быть тщательно спроектирован. Источники питания дуговых ламп также должны иметь пусковое устройство для зажигания лампы. На рисунке 5 показана принципиальная схема типичного стабилизированного источника питания для ксеноновой дуговой лампы. Помимо питания лампы от источника стабильного постоянного тока ( DC ), блок питания также заряжается с поддержанием оптимальной рабочей температуры катода с помощью определенного уровня тока. Схема стабилизации источника питания ксеноновой дуговой лампы, в зависимости от конструкции, может стабилизировать напряжение, ток или общую мощность (напряжение x ток). Если напряжение стабилизируется, ток (и яркость лампы) будет медленно уменьшаться по мере распада электродов. Напротив, если ток стабилизирован, лампа будет продолжать излучать на постоянном уровне до тех пор, пока электроды не достигнут критической точки износа, при которой лампа не сможет зажечься.С другой стороны, поскольку для поддержания фиксированного тока требуется возрастающее напряжение, мощность, подаваемая на дугу, медленно увеличивается по мере износа электродов, что может привести к перегреву и возможности взрыва. В источниках питания, которые стабилизируют общий уровень мощности, светоотдача будет медленно падать с увеличением тока по мере увеличения напряжения, необходимого для поддержания дуги.
Когда дуговые лампы холодные (по сути, при комнатной температуре), они действуют как электрические изоляторы, и газообразный ксенон, окружающий электроды, необходимо сначала ионизировать, чтобы инициировать и установить дугу.В большинстве конструкций источников питания зажигание осуществляется с помощью высоковольтных всплесков (30–40 кВ) от вспомогательной цепи, создающей разряд между электродами. Специализированная схема часто упоминается как триггер или воспламенитель , потому что она подает мгновенный высокочастотный импульс на ламповую нагрузку посредством индуктивной связи (см. рис. 5). После образования дуги ее необходимо поддерживать постоянным источником тока от основного источника питания, величина которого зависит от параметров лампы.Типичная лампа XBO мощностью 75 Вт работает при напряжении 15 вольт и силе тока от 5 до 6 ампер, но эти цифры зависят от производителя и увеличиваются с увеличением мощности лампы. Обратите внимание, что лампа XBO работает при значительно более высоком токе, чем можно было бы ожидать при относительно низком напряжении, которое определяется размером дугового промежутка, давлением ксенона и рекомендуемой рабочей температурой. Пульсации тока от источника питания должны быть сведены к минимуму, чтобы обеспечить длительный срок службы дуговой лампы. Таким образом, качество постоянного тока, используемого для питания лампы, должно быть высоким, а пульсации должны быть менее 10 процентов (полный размах) для ксеноновых ламп мощностью до 3000 Вт.
Специализированные ксеноновые лампы, выпускаемые производителями вторичного рынка, часто включают опции выбора длины волны и связывают выходной сигнал с оптическим волокном или жидким световодом для передачи на оптическую систему микроскопа для высокоэффективного освещения в выбранных областях спектра. Примеры включают Lambda LS (Sutter Instrument), который включает в себя ксеноновую лампу, холодное параболическое зеркало и источник питания в одном корпусе, соединенном с жидким световодом.В Lambda LS можно установить внутренний фильтрующий элемент, фильтрующие вставки и второй внешний фильтрующий элемент. Более совершенный и быстрый прибор от Sutter, DG-4, способен обеспечивать скорость переключения длин волн в диапазоне 1-2 миллисекунды, используя конструкцию двойного гальванометра, соединенную со стандартными интерференционными фильтрами. Свет от ксеноновой дуговой лампы фокусируется на первом гальванометре, который путем отражения от параболического зеркала направляет его на интерференционный фильтр. Затем отфильтрованный свет проходит через второе параболическое зеркало и гальванометр, прежде чем попасть в жидкий световод.Холодное зеркало, расположенное перед световодом, исключает попадание инфракрасного излучения на оптическую систему микроскопа. Другие производители также производят аналогичные ксеноновые осветители, многие из которых имеют выбор длины волны и световые затворы.
%PDF-1.4 % 1741 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 1741 58 0000000016 00000 н 0000001515 00000 н 0000001749 00000 н 0000003420 00000 н 0000004150 00000 н 0000005355 00000 н 0000006001 00000 н 0000006099 00000 н 0000006354 00000 н 0000007601 00000 н 0000007842 00000 н 0000008491 00000 н 0000009743 00000 н 0000009787 00000 н 0000010030 00000 н 0000011276 00000 н 0000011525 00000 н 0000012168 00000 н 0000012805 00000 н 0000014058 00000 н 0000014713 00000 н 0000015955 00000 н 0000016202 00000 н 0000016852 00000 н 0000016883 00000 н 0000016913 00000 н 0000018689 00000 н 0000018713 00000 н 0000019366 00000 н 0000020624 00000 н 0000020883 00000 н 0000022131 00000 н 0000023384 00000 н 0000024037 00000 н 0000024297 00000 н 0000024550 00000 н 0000025197 00000 н 0000025854 00000 н 0000026104 00000 н 0000026369 00000 н 0000027618 00000 н 0000028263 00000 н 0000029523 00000 н 0000029731 00000 н 0000029754 00000 н 0000029777 00000 н 0000029800 00000 н 0000029823 00000 н 0000029846 00000 н 0000029869 00000 н 0000029892 00000 н 0000029915 00000 н 0000029938 00000 н 0000029961 00000 н 0000029984 00000 н 0000030009 00000 н 0000002264 00000 н 0000003396 00000 н трейлер ] >> startxref 0 %%EOF 1742 0 объект > /StructTreeRoot 1743 0 R /Lang (en-US) /МаркИнфо > /PageMode /UseThumbs /Метаданные 1740 0 R >> эндообъект 1743 0 объект > эндообъект 1797 0 объект > ручей Hb«`e` ;Abl,AHE/e`[5′];\;3 &* r2e!�� ;t&ԥ؃a$6`3WL*)^gE7U7 mZ˹IU2$DKJZiƅ3j]\d8ovήEg% 2ADm̛mnœE^)4j&(i,2W|^3WqfFNlo;rӂPQi=&ʛ;Ku95ol\i]$’zj. Sh57)KW GE7ot0qhUpl}J\ Y1|~NCU_’E5e>@-zn`fԶ6Oy|sKqKmAS_TjvO K ҫ*_J[tt4@$X\B#2ta@=JjiH& е MKC0 -(BFD%40ȀZd? Джеп@2q@2$ d[APB(hl qС}1# $t/w/ۂMcgn`9 hT9!OLlG,9sX g,`r,8+L}(aTb`P`p`h`rO?4pj9V @88h3p(aB (0%EتW?Rοe_EE+د
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка браузера на прием файлов cookie
Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:
В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.
Получение, механизмы стабильности и применение
Наножидкости, жидкие суспензии наноматериалов, продемонстрировали множество интересных свойств, а отличительные особенности открывают беспрецедентный потенциал для многих приложений.В этой статье обобщен недавний прогресс в изучении наножидкостей, таких как методы приготовления, методы оценки стабильности наножидкостей и способы повышения стабильности наножидкостей, механизмы стабильности наножидкостей, а также представлен широкий диапазон текущих и будущие приложения в различных областях, включая энергетику, механику и биомедицину. Наконец, в документе определены возможности для будущих исследований.
1. Введение
Наножидкости представляют собой новый класс жидкостей, созданных путем диспергирования материалов нанометрового размера (наночастиц, нановолокон, нанотрубок, нанопроволок, наностержней, нанолистов или капель) в базовых жидкостях.Другими словами, наножидкости представляют собой наноразмерные коллоидные суспензии, содержащие конденсированные наноматериалы. Это двухфазные системы с одной фазой (твердой фазой) в другой (жидкой фазе). Было обнаружено, что наножидкости обладают улучшенными теплофизическими свойствами, такими как теплопроводность, температуропроводность, вязкость и коэффициенты конвективной теплопередачи, по сравнению с базовыми жидкостями, такими как масло или вода. Он продемонстрировал большой потенциал применения во многих областях.
Для двухфазной системы нам придется столкнуться с некоторыми важными проблемами.Одной из наиболее важных проблем является стабильность наножидкостей, и достижение желаемой стабильности наножидкостей остается большой проблемой. В этой статье мы рассмотрим новый прогресс в методах приготовления стабильных наножидкостей и обобщим механизмы стабильности.
В последние годы наножидкости привлекают все больше внимания. Основная движущая сила исследований наножидкостей заключается в широком спектре приложений. Хотя в последние несколько лет было опубликовано несколько обзорных статей, посвященных прогрессу исследования наножидкостей [1–6], большая часть обзоров посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям теплофизических свойств или конвективного теплообмена наножидкостей.Цель этой статьи будет сосредоточена на новых методах приготовления и механизмах стабильности, особенно на новых тенденциях применения наножидкостей в дополнение к свойствам теплопередачи наножидкостей. Мы попытаемся найти некоторые сложные вопросы, которые необходимо решить для будущих исследований, на основе обзора этих аспектов наножидкостей.
2. Методы приготовления наножидкостей
2.1. Двухстадийный метод
Двухстадийный метод является наиболее широко используемым методом приготовления наножидкостей. Наночастицы, нановолокна, нанотрубки или другие наноматериалы, используемые в этом методе, сначала производятся в виде сухих порошков химическими или физическими методами. Затем наноразмерный порошок будет диспергирован в жидкости на втором этапе обработки с помощью интенсивного магнитного перемешивания, ультразвукового перемешивания, перемешивания с высоким усилием сдвига, гомогенизации и шаровой мельницы. Двухстадийный метод является наиболее экономичным методом производства наножидкостей в больших масштабах, потому что методы синтеза нанопорошков уже доведены до уровня промышленного производства.Из-за большой площади поверхности и поверхностной активности наночастицы имеют тенденцию к агрегации. Важным методом повышения стабильности наночастиц в жидкостях является использование поверхностно-активных веществ. Тем не менее, функциональность поверхностно-активных веществ при высоких температурах также вызывает большую озабоченность, особенно для высокотемпературных применений.
Из-за сложности приготовления стабильных наножидкостей двухэтапным методом было разработано несколько передовых методов получения наножидкостей, включая одностадийный метод. В следующей части мы подробно представим одноэтапный метод.
2.2. Одноэтапный метод
Чтобы уменьшить агломерацию наночастиц, Eastman et al. разработали одностадийный метод физической конденсации паров для приготовления наножидкостей Cu/этиленгликоль [7]. Одноэтапный процесс состоит из одновременного создания и диспергирования частиц в жидкости. В этом методе избегают процессов сушки, хранения, транспортировки и диспергирования наночастиц, поэтому агломерация наночастиц минимизируется, а стабильность жидкостей повышается [5].Одноэтапные процессы позволяют получать однородно диспергированные наночастицы, которые могут быть стабильно взвешены в базовой жидкости. Вакуум-SANSS (система синтеза наночастиц под флюсом) является еще одним эффективным методом получения наножидкостей с использованием различных диэлектрических жидкостей [8, 9]. На различные морфологии в основном влияют и определяются различные свойства теплопроводности диэлектрических жидкостей. Полученные наночастицы имеют игольчатую, многоугольную, квадратную и круглую морфологическую форму. Метод достаточно хорошо позволяет избежать нежелательной агрегации частиц.
Одноэтапный физический метод не может синтезировать наножидкости в больших масштабах, а стоимость также высока, поэтому одностадийный химический метод быстро развивается. Чжу и др. представили новый одностадийный химический метод получения медных наножидкостей путем восстановления CuSO4⋅5h3O с помощью Nah3PO2⋅h3O в этиленгликоле под действием микроволнового излучения [10]. Были получены хорошо диспергированные и устойчиво взвешенные медные наножидкости. Этим методом также были получены наножидкости на основе минерального масла, содержащие наночастицы серебра с узким распределением по размерам [11].Частицы могут быть стабилизированы Корантином, который координируется с поверхностью частиц серебра через два атома кислорода, образуя плотный слой вокруг частиц. Суспензии наночастиц серебра были стабильны в течение примерно 1 месяца. Стабильные наножидкости на основе этанола, содержащие наночастицы серебра, могут быть получены одностадийным методом с использованием микроволн [12]. В этом методе в качестве стабилизатора коллоидного серебра и восстановителя серебра в растворе использовали поливинилпирролидон (ПВП). Катионное поверхностно-активное вещество октадециламин (ОДА) также является эффективным межфазным переносчиком для синтеза коллоидов серебра [13].Фазовый перенос наночастиц серебра возникает из-за связывания наночастиц серебра с молекулами ОДА, присутствующими в органической фазе, посредством образования координационной связи или слабого ковалентного взаимодействия. Метод межфазного переноса был разработан для получения однородных и стабильных коллоидов оксида графена. Нанолисты оксида графена (GON) были успешно перенесены из воды в н-октан после модификации олеиламином, и схематическая иллюстрация процесса межфазного переноса показана на рис. 1 [14].

Однако одноэтапный метод имеет некоторые недостатки. Наиболее важным из них является то, что остаточные реагенты остаются в наножидкостях из-за неполной реакции или стабилизации. Трудно объяснить эффект наночастиц, не устранив этот эффект примеси.
2.3. Другие новые методы
Wei et al. разработали проточный микрожидкостный микрореактор для синтеза медных наножидкостей. С помощью этого метода можно непрерывно синтезировать медные наножидкости, а их микроструктуру и свойства можно изменять, регулируя такие параметры, как концентрация реагента, скорость потока и добавка.Наножидкости CuO с высокой объемной долей твердого вещества (до 10 об.%) могут быть синтезированы с помощью нового метода трансформации прекурсоров с помощью ультразвукового и микроволнового облучения [15]. Прекурсор Cu(OH) ₂ полностью трансформируется в наночастицы CuO в воде под действием микроволнового излучения. Цитрат аммония предотвращает рост и агрегацию наночастиц, в результате чего получается стабильная водная наножидкость CuO с более высокой теплопроводностью, чем жидкости, приготовленные другими методами диспергирования.Метод фазового переноса также является простым способом получения монодисперсных коллоидов благородных металлов [16]. В двухфазной системе вода-циклогексан водный раствор формальдегида переносится в фазу циклогексана посредством реакции с додециламином с образованием промежуточных соединений восстановления в циклогексане. Промежуточные соединения способны восстанавливать ионы серебра или золота в водном растворе с образованием защищенных додециламином наночастиц серебра и золота в растворе циклогексана при комнатной температуре. Фэн и др. использовали водно-органический метод фазового переноса для получения наночастиц золота, серебра и платины на основе снижения растворимости ПВП в воде с повышением температуры [17].Метод фазового переноса также применяется для приготовления стабильных наножидкостей Fe ₃ O ₄ на основе керосина. Олеиновая кислота успешно прививается на поверхность наночастиц Fe ₃ O ₄ хемосорбционным способом, что позволяет наночастицам Fe ₃ O ₄ иметь хорошую совместимость с керосином [18]. Наножидкости Fe ₃ O ₄, приготовленные методом фазового переноса, не показывают ранее сообщавшуюся «зависимость характеристики теплопроводности от времени». Получение наножидкостей с управляемой микроструктурой является одним из ключевых вопросов. Хорошо известно, что свойства наножидкостей сильно зависят от структуры и формы наноматериалов. Недавние исследования показывают, что наножидкости, синтезированные методом химического раствора, обладают как более высоким усилением проводимости, так и лучшей стабильностью, чем жидкости, полученные другими методами [19]. Этот метод отличается от других своей управляемостью. Микроструктуру наножидкости можно варьировать и управлять ею, регулируя параметры синтеза, такие как температура, кислотность, ультразвуковое и микроволновое облучение, типы и концентрации реагентов и добавок, а также порядок, в котором добавки добавляются в раствор.
3. Стабильность наножидкости
Агломерация наночастиц приводит не только к оседанию и закупориванию микроканалов, но и к снижению теплопроводности наножидкостей. Таким образом, исследование стабильности также является ключевым вопросом, влияющим на свойства наножидкостей для применения, и необходимо изучать и анализировать факторы, влияющие на стабильность дисперсии наножидкостей. Этот раздел будет содержать (а) методы оценки стабильности наножидкостей, (б) способы повышения стабильности наножидкостей и (в) механизмы стабильности наножидкостей.
3.1. Методы оценки стабильности наножидкостей
3.1.1. Методы осаждения и центрифугирования
Для оценки стабильности наножидкостей было разработано множество методов. Наиболее простым методом является метод седиментации [20, 21]. Вес осадка или объем осадка наночастиц в наножидкости под действием внешнего силового поля является показателем стабильности охарактеризованной наножидкости. Изменение концентрации или размера частиц надосадочной жидкости в зависимости от времени отстаивания можно получить с помощью специального прибора [5].Наножидкости считаются стабильными, когда концентрация или размер частиц надосадочной жидкости остаются постоянными. Фотография осаждения наножидкостей в пробирках, сделанная камерой, также является обычным методом наблюдения за стабильностью наножидкостей [5]. Чжу и др. использовали метод седиментационного баланса для измерения стабильности графитовой суспензии [22]. Лоток седиментационного остатка погружают в свежую графитовую суспензию. Измерялась масса наночастиц осадка за определенный период.Можно рассчитать долю суспензии наночастиц графита в определенный момент времени. Недостатком метода седиментации является длительный период наблюдения. Поэтому для оценки стабильности наножидкостей разработан метод центрифугирования. Сингх и др. . применил метод центрифугирования для наблюдения за стабильностью наножидкостей серебра, полученных микроволновым синтезом в этаноле путем восстановления Ag NO ₃ с ПВП в качестве стабилизирующего агента [12]. Установлено, что полученные наножидкости стабильны более 1 месяца в стационарном состоянии и более 10 ч при центрифугировании при 3000 об/мин без седиментации.Превосходная стабильность полученной наножидкости обусловлена защитной ролью ПВП, так как он задерживает рост и агломерацию наночастиц за счет стерического эффекта. Ли подготовил водные коллоиды полианилина и использовал метод центрифугирования для оценки стабильности коллоидов [23]. Электростатические силы отталкивания между нановолокнами обеспечивают долгосрочную стабильность коллоидов.
3.1.2. Анализ дзета-потенциала
Зета-потенциал — это электрический потенциал в межфазном двойном слое в месте расположения плоскости скольжения по сравнению с точкой в объемной жидкости вдали от поверхности раздела, и он показывает разность потенциалов между дисперсионной средой и неподвижным слоем жидкости прикрепленный к дисперсной частице.Значение дзета-потенциала состоит в том, что его значение может быть связано со стабильностью коллоидных дисперсий. Так, коллоиды с высоким дзета-потенциалом (отрицательным или положительным) электрически стабилизированы, в то время как коллоиды с низким дзета-потенциалом склонны коагулировать или флоккулировать. В общем, значение 25 мВ (положительное или отрицательное) может быть принято как произвольное значение, которое отделяет поверхности с низким зарядом от поверхностей с высоким зарядом. Считается, что коллоиды с дзета-потенциалом от 40 до 60 мВ хорошо стабильны, а коллоиды с дзета-потенциалом более 60 мВ обладают превосходной стабильностью.Ким и др. приготовили наножидкости Au с выдающейся стабильностью даже через 1 месяц, хотя никаких диспергаторов не наблюдалось [24]. Стабильность обусловлена большим отрицательным дзета-потенциалом наночастиц золота в воде. Было изучено влияние pH и додецилбензолсульфоната натрия (SDBS) на стабильность двух наножидкостей на водной основе [25], и анализ дзета-потенциала был важным методом для оценки стабильности. Чжу и др. [26] измерили дзета-потенциал наножидкостей Al ₂ O ₃ -H ₂ O при различных значениях pH и различной концентрации SDBS.Теория Держагина-Лодо-Вервея-Овербека (DLVO) использовалась для расчета потенциалов притяжения и отталкивания. Катионное поверхностно-активное вещество-гемини в качестве стабилизатора было использовано для приготовления стабильных наножидкостей на водной основе, содержащих МУНТ [27]. Измерения дзета-потенциала использовались для изучения механизмов поглощения поверхностно-активных веществ на поверхности МУНТ с помощью инфракрасных спектров с преобразованием Фурье.
3.1.3. Спектральный анализ поглощения
Спектральный анализ поглощения — еще один эффективный способ оценки стабильности наножидкостей.В общем, существует линейная зависимость между интенсивностью абсорбции и концентрацией наночастиц в жидкости. Хуанг и др. . оценивали дисперсионные характеристики суспензий оксида алюминия и меди традиционным методом седиментации с помощью анализа абсорбции на спектрофотометре после осаждения суспензий в течение 24 ч [28]. Исследование стабильности систем коллоидных наночастиц FePt проводилось с помощью спектрофотометрического анализа [29]. Кинетику седиментации также можно определить, исследуя поглощающую способность частиц в растворе [26].
Если наноматериалы, диспергированные в жидкостях, имеют характерные полосы поглощения в диапазоне длин волн 190–1100 нм, это простой и надежный метод оценки стабильности наножидкостей с помощью спектрального анализа в УФ-видимой области. Изменение концентрации супернатантных частиц наножидкостей в зависимости от времени осаждения может быть получено путем измерения поглощения наножидкостей, поскольку существует линейная зависимость между концентрацией супернатантных наночастиц и абсорбцией взвешенных частиц.Выдающимся преимуществом по сравнению с другими методами является то, что спектральный анализ в УФ-видимой области может отображать количественную концентрацию наножидкостей. Хван и др. . [30] изучал стабильность наножидкостей с помощью спектрофотометра UV-Vis. Считалось, что на стабильность наножидкостей сильно влияют характеристики взвешенных частиц и базовой жидкости, такие как морфология частиц. Кроме того, добавление поверхностно-активного вещества может улучшить стабильность суспензий.Относительную стабильность наножидкостей МУНТ [27] можно оценить путем измерения поглощения УФ-видимого излучения наножидкостями МУНТ в разное время осаждения. Из приведенного выше соотношения между концентрацией MWNT и его значением поглощения в УФ-видимой области можно получить концентрацию наножидкостей MWNT в разное время осаждения. Вышеупомянутые три метода могут быть объединены для исследования стабильности наножидкостей. Например, Ли и др. . оценивали дисперсионное поведение водных наносуспензий меди при различных значениях рН, различных типах диспергаторов и концентрации методом дзета-потенциала, абсорбции и фотографий седиментации [21].
3.2. Пути повышения стабильности наножидкостей
3.2.1. Поверхностно-активные вещества, используемые в наножидкостях
Поверхностно-активные вещества, используемые в наножидкостях, также называются диспергаторами. Добавление диспергаторов в двухфазные системы является простым и экономичным методом повышения стабильности наножидкостей. Диспергаторы могут заметно влиять на характеристики поверхности системы в небольшом количестве. Диспергаторы состоят из гидрофобной хвостовой части, обычно длинноцепочечного углеводорода, и гидрофильной полярной головной группы.Диспергаторы используются для увеличения контакта двух материалов, что иногда называют смачиваемостью. В двухфазной системе диспергатор имеет тенденцию располагаться на границе раздела двух фаз, где он обеспечивает определенную степень непрерывности между наночастицами и жидкостями. По составу головки ПАВ делятся на четыре класса: неионогенные ПАВ без зарядовых групп в головной части (включают полиэтиленоксид, спирты и другие полярные группы), анионные ПАВ с отрицательно заряженными головными группами (к анионным головным группам относятся длинно- цепные жирные кислоты, сульфосукцинаты, алкилсульфаты, фосфаты и сульфонаты), катионные поверхностно-активные вещества с положительно заряженными головными группами (катионными поверхностно-активными веществами могут быть протонированные длинноцепочечные амины и длинноцепочечные соединения четвертичного аммония) и амфотерные поверхностно-активные вещества с цвиттер-ионными головными группами (заряд зависит от рН.Класс амфотерных ПАВ представлен бетаинами и некоторыми лецитинами). Выбор подходящих диспергаторов является ключевым вопросом. В общем, когда базовой жидкостью наножидкостей является полярный растворитель, следует выбирать водорастворимые поверхностно-активные вещества; в противном случае мы выберем маслорастворимые. Для неионогенных поверхностно-активных веществ мы можем оценить растворимость с помощью термина значение гидрофильного/липофильного баланса (ГЛБ). Чем ниже число ГЛБ, тем более маслорастворимы поверхностно-активные вещества, и, в свою очередь, чем выше число ГЛБ, тем более водорастворимы поверхностно-активные вещества.Значение HLB можно легко получить во многих справочниках. Хотя добавление поверхностно-активного вещества является эффективным способом повышения диспергируемости наночастиц, поверхностно-активные вещества могут вызвать ряд проблем [31]. Например, добавление поверхностно-активных веществ может загрязнить теплоноситель. Поверхностно-активные вещества могут образовывать пену при нагревании, в то время как нагрев и охлаждение являются обычными процессами в системах теплообмена. Кроме того, молекулы поверхностно-активного вещества, прикрепляющиеся к поверхности наночастиц, могут увеличить тепловое сопротивление между наночастицами и базовой жидкостью, что может ограничить повышение эффективной теплопроводности.
3.2.2. Методы модификации поверхности: метод без поверхностно-активных веществ
Использование функционализированных наночастиц является многообещающим подходом к достижению долгосрочной стабильности наножидкости. Он представляет собой метод без поверхностно-активных веществ. Ян и Лю представили работу по синтезу наночастиц функционализированного кремнезема (SiO ₂) путем прививки силанов непосредственно на поверхность наночастиц кремнезема в исходных растворах наночастиц [32]. Одной из уникальных характеристик наножидкостей было то, что после процесса кипячения в бассейне на нагретой поверхности не образовывался слой осаждения.Хван и др. вводили гидрофильные функциональные группы на поверхность нанотрубок путем механохимической реакции [30]. Приготовленные наножидкости, не загрязняющие среду, обладающие хорошей текучестью, низкой вязкостью, высокой стабильностью и высокой теплопроводностью, могут иметь потенциальное применение в качестве хладагентов в передовых тепловых системах. Влажная механохимическая реакция была применена для получения наножидкостей без поверхностно-активных веществ, содержащих двух- и однослойные УНТ. Результаты измерений инфракрасного спектра и дзета-потенциала показали, что на обработанные поверхности УНТ были введены гидроксильные группы [33].Химическая модификация для функционализации поверхности углеродных нанотрубок является распространенным методом повышения стабильности углеродных нанотрубок в растворителях. Здесь мы представляем обзор по модификации поверхности углеродных нанотрубок [34]. Плазменная обработка применялась для модификации характеристик поверхности алмазных наночастиц [35]. Путем плазменной обработки с использованием газовых смесей метана и кислорода на поверхность наночастиц алмаза были приданы различные полярные группы, что улучшило их дисперсионную способность в воде.Стабильная дисперсия наночастиц диоксида титана в органическом растворителе диметилового эфира диэтиленгликоля (диглиме) была успешно приготовлена с использованием процесса шаровой мельницы [36]. Для повышения дисперсионной стабильности раствора модификацию поверхности диспергированных частиц диоксида титана проводили в процессе центробежной бисерной мельницы. Модификацию поверхности использовали с помощью силановых связующих агентов, (3-акрилоксипропил)триметоксисилана и триметоксипропилсилана. Наночастицы оксида цинка могут быть модифицированы полиметакриловой кислотой (ПМАК) в водной системе [37].Гидроксильные группы поверхности частиц нано-ZnO могут взаимодействовать с карбоксильными группами ПМАК и образовывать комплекс поли(метакрилат цинка) на поверхности нано-ZnO. PMAA улучшил диспергируемость частиц нано-ZnO в воде. Модификация не изменила кристаллическую структуру наночастиц ZnO.
3.2.3. Механизмы стабильности наножидкостей
Частицы в дисперсии могут слипаться и образовывать агрегаты увеличивающегося размера, которые могут оседать под действием силы тяжести. Стабильность означает, что частицы не агрегируют со значительной скоростью.Скорость агрегации в целом определяется частотой столкновений и вероятностью сцепления во время столкновения. Держагин, Вервей, Ландау и Овербек (ДВЛО) разработали теорию, касающуюся коллоидной стабильности [38, 39]. Теория DLVO предполагает, что стабильность частицы в растворе определяется суммой сил притяжения Ван-дер-Ваальса и силы отталкивания двойного электрического слоя, которые существуют между частицами, когда они приближаются друг к другу из-за совершаемого ими броуновского движения.Если сила притяжения больше силы отталкивания, две частицы столкнутся, и суспензия не будет стабильной. Если частицы обладают достаточно высоким отталкиванием, суспензии будут существовать в стабильном состоянии. Для стабильных наножидкостей или коллоидов должны преобладать силы отталкивания между частицами. В соответствии с типами отталкивания основные механизмы, влияющие на коллоидную стабильность, делятся на два вида: один представляет собой стерическое отталкивание, а другой представляет собой электростатическое (зарядовое) отталкивание, показанное на рисунке 2.Для стерической стабилизации в суспензионную систему всегда вовлекаются полимеры, которые будут адсорбироваться на поверхности частиц, создавая дополнительную стерическую силу отталкивания. Например, наночастицы оксида цинка, модифицированные ПМАК, обладают хорошей совместимостью с полярными растворителями [37]. Серебряные наножидкости очень стабильны благодаря защитной роли ПВП, так как он задерживает рост и агломерацию наночастиц за счет стерического эффекта. ПВП является эффективным агентом для повышения стабильности графитовой суспензии [22].Стерический эффект полимерного диспергатора определяется концентрацией диспергатора. Если концентрация ПВП низкая, поверхность частиц графита постепенно покрывается молекулами ПВП с увеличением ПВП. Камия и др. . исследовали влияние структуры полимерного диспергатора на электростерическое взаимодействие и поведение плотной суспензии оксида алюминия [40]. Оптимальное соотношение гидрофильных и гидрофобных групп было получено из максимальной силы отталкивания и минимальной вязкости. Для электростатической стабилизации поверхностный заряд будет развиваться с помощью одного или нескольких из следующих механизмов: (1) преимущественная адсорбция ионов, (2) диссоциация частиц с поверхностным зарядом, (3) изоморфное замещение ионов m, (4) накопление или истощение электронов на поверхности и (5) физической адсорбции заряженных частиц на поверхности.

4. Применение наножидкостей
4.1. Интенсификация теплопередачи
С момента появления концепции наножидкостей около десяти лет назад потенциал наножидкостей в приложениях теплопередачи привлекает все больше и больше внимания. К настоящему времени существует несколько обзорных статей, в которых представлены обзоры различных аспектов наножидкостей [1, 3–6, 41–46], включая подготовку и определение характеристик, методы измерения теплопроводности, теорию и модель, теплофизические свойства и конвективный теплообмен.Наша группа изучила теплопроводность наножидкостей на основе этиленгликоля (EG-), содержащих оксиды, включая наночастицы MgO, TiO ₂ , ZnO, Al ₂ O ₃ и SiO ₂ [47], и результаты (Таблица 1) продемонстрировало, что наножидкость MgO-EG обладает превосходными характеристиками с самой высокой теплопроводностью и самой низкой вязкостью. В этой части мы обобщим применение наножидкостей для улучшения теплопередачи.
9090 9090 Al ₂ O ₃0
Тепловая проводимость * W / (M · K) Плотность (G / см ³) Кристаллин Вязкость (CP) с 5.0 об. % 30 ℃ Повышение теплопроводности наножидкостей (%) с 5,0 об. %
00
29 9 40.6
TIO ₂ 9090 8.4 4.1 Anatase 31.2 27.2
ZnO 13,0 5,6 Вюрцит 129. 2 29 26.8
36.0 3.6 3 28.2 28.2
Sio ₂ 9090 10.4 2,6 Незаряд 31,5 25,3
*Теплопроводность оксидов указана для соответствующих сыпучих материалов
4.1.1. Электронные приложения
Из-за более высокой плотности микросхем более компактная конструкция электронных компонентов затрудняет рассеивание тепла. Передовые электронные устройства сталкиваются с проблемами управления температурным режимом из-за высокого уровня тепловыделения и уменьшения доступной площади поверхности для отвода тепла. Таким образом, надежная система терморегулирования жизненно важна для бесперебойной работы современных электронных устройств. В целом существует два подхода к улучшению теплоотвода электронного оборудования.Один — найти оптимальную геометрию охлаждающих устройств; другой заключается в увеличении мощности теплопередачи. Наножидкости с более высокой теплопроводностью являются предсказуемыми коэффициентами конвективной теплопередачи по сравнению с базовыми жидкостями. Недавние исследования показали, что наножидкости могут увеличить коэффициент теплопередачи за счет увеличения теплопроводности хладагента. Джанг и Чой разработали новый кулер, комбинированный микроканальный радиатор с наножидкостями [48]. Получена более высокая эффективность охлаждения по сравнению с устройством, использующим в качестве рабочей среды чистую воду.Наножидкости уменьшали как термическое сопротивление, так и разницу температур между нагретой стенкой микроканала и теплоносителем. Комбинированный микроканальный радиатор с наножидкостями может стать охлаждающим устройством следующего поколения для отвода сверхвысокого теплового потока. Нгуен и др. разработал замкнутый жидкостный контур для исследования улучшения теплопередачи системы жидкостного охлаждения путем замены базовой жидкости (дистиллированной воды) наножидкостью, состоящей из дистиллированной воды и наночастиц Al ₂ O ₃ в различных концентрациях [49].Данные измерений ясно показали, что включение наночастиц в дистиллированную воду привело к значительному повышению коэффициента конвективной теплопередачи охлаждающего блока. При загрузке частиц 4,5% по объему улучшение составляет до 23% по сравнению с базовым флюидом. Также было замечено, что увеличение концентрации частиц привело к явному снижению температуры перехода между нагретым компонентом и охлаждающим блоком. Были проанализированы характеристики кремниевого микроканального теплоотвода с использованием наножидкостей, содержащих наночастицы Cu [50].Было обнаружено, что наножидкости могут повысить производительность по сравнению с использованием чистой воды в качестве хладагента. Улучшение произошло за счет увеличения теплопроводности хладагента и эффекта термодисперсии наночастиц. Другим преимуществом было то, что не было дополнительного перепада давления, так как наночастица была мала, а объемная доля частиц была низкой.
Тепловые требования к персональному компьютеру становятся все более строгими с увеличением тепловыделения процессора.Одним из решений является использование тепловых трубок. Наножидкости, используемые в качестве рабочей среды для обычных тепловых трубок, показали более высокие тепловые характеристики и могут заменить обычную воду в тепловых трубках. При одном и том же объеме заряда происходит значительное снижение термического сопротивления тепловой трубы с наножидкостью, содержащей наночастицы золота, по сравнению с водой [51]. Результаты измерений также показывают, что тепловое сопротивление вертикальной сетчатой тепловой трубы зависит от размера наночастиц золота.Взвешенные наночастицы имеют тенденцию бомбардировать пузырь пара во время образования пузыря. Поэтому ожидается, что размер зародышеобразования парового пузыря намного меньше для жидкости с взвешенными наночастицами, чем без них. Это может быть основной причиной снижения теплового сопротивления тепловой трубы. Чен и др. изучали влияние наножидкости на тепловые характеристики плоской тепловой трубы (ПТТ) [52], используя серебряную наножидкость в качестве рабочей жидкости. Разность температур и термическое сопротивление ЗТП с раствором наночастиц серебра были ниже, чем с чистой водой.Вероятные причины повышения тепловых характеристик ЗТД с использованием наножидкости можно объяснить увеличением критического теплового потока за счет более высокой смачиваемости и снижения предела кипения. Наножидкостная колеблющаяся тепловая трубка со сверхвысокой производительностью была разработана Ма и др. . [53]. Они объединили наножидкости с термически возбуждаемым колебательным движением в колеблющейся тепловой трубе, и способность к переносу тепла значительно увеличилась. Например, при входной мощности 80. 0 Вт алмазная наножидкость могла уменьшить разницу температур между испарителем и конденсатором с 40,9 до 24,3°С. Это исследование ускорит разработку высокоэффективного охлаждающего устройства для электронных систем со сверхвысоким тепловым потоком. Исследование тепловых характеристик тепловой трубы показало, что наножидкости, содержащие наночастицы серебра или титана, могут быть использованы в качестве эффективной охлаждающей жидкости для устройств с высокой плотностью энергии. Для серебряной наножидкости разность температур уменьшилась до 0.56–0,65 по сравнению с водой при подводимой мощности 30–50 Вт [54]. Для тепловой трубы с наночастицами титана при объемной концентрации 0,10 % тепловой КПД на 10,60 % выше, чем с рабочим телом на основе [55]. Эти положительные результаты способствуют продолжению исследований и разработок наножидкостей для таких приложений.
4.1.2. Транспорт
Наножидкости обладают большим потенциалом для улучшения скорости охлаждения автомобильных и большегрузных двигателей за счет повышения эффективности, снижения веса и упрощения систем управления температурным режимом. Улучшенная скорость охлаждения двигателей автомобилей и грузовиков может быть использована для отвода большего количества тепла от более мощных двигателей с системой охлаждения того же размера. В качестве альтернативы выгодно разработать более компактную систему охлаждения с меньшими и более легкими радиаторами. Это, в свою очередь, выгодно высокой производительностью и высокой топливной экономичностью легковых и грузовых автомобилей. Наножидкости на основе этиленгликоля привлекли большое внимание при применении в качестве охлаждающей жидкости двигателя [56–58] из-за работы при низком давлении по сравнению со смесью этиленгликоля и воды 50/50, которая является почти повсеместно используемой автомобильной охлаждающей жидкостью.Наножидкости имеют высокую температуру кипения, и их можно использовать для повышения нормальной рабочей температуры хладагента, а затем отводить больше тепла через существующую систему хладагента [59]. Коле и др. . приготовили охлаждающую жидкость для автомобильных двигателей (Al ₂ O ₃ nanofluid) с использованием стандартной охлаждающей жидкости для автомобильных двигателей (HP KOOLGARD) в качестве базовой жидкости [60] и исследовали теплопроводность и вязкость охлаждающей жидкости. Приготовленная наножидкость, содержащая только 3,5% объемной доли наночастиц Al ₂ O ₃, показала значительно более высокую теплопроводность, чем базовая жидкость, и максимальное усиление 10 . 41% наблюдали при комнатной температуре. Ценг и др. [61] применили наножидкости для охлаждения автоматических трансмиссий. В качестве экспериментальной платформы использовалась трансмиссия полноприводного автомобиля. Используемые наножидкости готовили путем диспергирования наночастиц CuO и Al ₂ O ₃ в моторном трансмиссионном масле. Результаты показали, что наножидкости CuO обеспечивают более низкие температуры передачи как при высоких, так и при низких скоростях вращения. С точки зрения тепловых характеристик использование наножидкости в трансмиссии имеет явное преимущество.
Исследователи Аргоннской национальной лаборатории оценили применение наножидкостей для транспорта [62]. Использование высокотеплопроводных наножидкостей в радиаторах может привести к уменьшению лобовой площади радиатора до 10%. Экономия топлива составляет до 5% за счет снижения аэродинамического сопротивления. Это открывает двери для новых аэродинамических конструкций автомобилей, которые сокращают выбросы за счет снижения лобового сопротивления. Применение наножидкостей также способствовало уменьшению трения и износа, уменьшению паразитных потерь, улучшению работы таких компонентов, как насосы и компрессоры, что впоследствии привело к экономии топлива более чем на 6%.На самом деле, наножидкости не только повышают эффективность и экономичность автомобильного двигателя, но и сильно влияют на конструкцию конструкции автомобилей. Например, радиатор двигателя, охлаждаемый наножидкостью, будет меньше и легче. Его можно разместить в любом месте автомобиля, что позволяет сделать шасси более аэродинамичным. За счет уменьшения размера и изменения расположения радиатора снижение веса и сопротивления ветру может обеспечить большую топливную экономичность и, как следствие, снижение выбросов выхлопных газов.Компьютерное моделирование, проведенное Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики США, показало, что охлаждающие наножидкости могут уменьшить размер радиаторов грузовиков на 5%. Это приведет к экономии топлива на 2,5% на скоростях шоссе.
Практическое применение уже в пути. В США производители автомобилей GM и Ford проводят собственные исследовательские программы по применению наножидкостей. € 8,3 млн. Проект FP7, названный NanoHex (Nanofluid Heat Exchange), начал работать. В нем приняли участие 12 организаций из Европы и Израиля, от университетов до малых и средних предприятий и крупных компаний.NanoHex преодолевает технологические проблемы, возникающие при разработке и применении надежных и безопасных наножидкостей для более сложных, энергоэффективных и экологически чистых продуктов и услуг [63].
4.1.3. Промышленное охлаждение
Применение наножидкостей в промышленном охлаждении приведет к значительной экономии энергии и сокращению выбросов. Для промышленности США замена охлаждающей и нагревающей воды наножидкостями может сэкономить 1 триллион БТЕ энергии [41, 64].Для электроэнергетики США использование наножидкостей в циклах охлаждения с замкнутым контуром может сэкономить около 10–30 триллионов БТЕ в год (что эквивалентно годовому потреблению энергии примерно 50 000–150 000 домашних хозяйств). Сопутствующее сокращение выбросов составит примерно 5,6 млн метрических тонн двуокиси углерода, 8 600 метрических тонн оксидов азота и 21 000 метрических тонн диоксида серы [65].
Были проведены эксперименты с использованием устройства с контуром потока для изучения характеристик полиальфаолефиновых наножидкостей, содержащих волокна из эксфолиированных графитовых наночастиц, при охлаждении [66].Было обнаружено, что удельная теплоемкость наножидкостей оказалась на 50% выше для наножидкостей по сравнению с полиальфаолефинами и увеличивалась с температурой. Установлено, что температуропроводность у наножидкостей в 4 раза выше. Конвективный теплообмен был улучшен на 10% при использовании наножидкостей по сравнению с использованием полиальфаолефинов. Ма и др. . предложил концепцию наножидкостной металлической жидкости с целью создания инженерного пути для создания хладагента с самой высокой проводимостью, теплопроводность которого примерно в несколько десятков раз выше, чем у воды [45]. Ожидается, что жидкий металл с низкой температурой плавления будет идеальной базовой жидкостью для создания сверхпроводящего раствора, что может привести к созданию идеального хладагента в самых разных областях улучшения теплопередачи. Теплопроводность жидкометаллической жидкости можно повысить за счет добавления более проводящих наночастиц.
4.1.4. Отопление зданий и снижение загрязнения
Наножидкости могут применяться в системах отопления зданий. Кулкарни и др. . оценили, как они отапливают здания в холодных регионах [67].В холодных регионах в качестве теплоносителя принято использовать этилен или пропиленгликоль, смешанные с водой в разных пропорциях. Таким образом, в качестве базовой жидкости был выбран 60 : 40 этиленгликоль/вода (по весу). Результаты показали, что использование наножидкостей в теплообменниках может снизить объемный и массовый расход, что приведет к общей экономии мощности откачки. Наножидкости требуют меньших систем отопления, которые способны поставлять такое же количество тепловой энергии, как и более крупные системы отопления, но менее дороги. Это снижает первоначальную стоимость оборудования без учета стоимости наножидкости. Это также уменьшит загрязнение окружающей среды, поскольку меньшие по размеру нагревательные элементы потребляют меньше энергии, а теплопередающие устройства имеют меньше жидких и материальных отходов, которые необходимо выбрасывать в конце своего жизненного цикла.
4.1.5. Охлаждение ядерных систем
Массачусетский технологический институт создал междисциплинарный центр по технологии наножидкостей для атомной энергетики. Исследователи изучают ядерные применения наножидкостей, в частности, следующих трех [68]: (1) теплоноситель основного реактора для водо-водяных реакторов (PWR).Это может позволить значительно увеличить мощность существующих и будущих реакторов PWR, тем самым повысив их экономические показатели. В частности, использование наножидкостей с более высоким критическим тепловым потоком (CHF) не менее чем на 32 % может обеспечить повышение удельной мощности на существующих электростанциях на 20 % без изменения конструкции ТВС и без снижения запаса по CHF; (2) теплоноситель для систем аварийного охлаждения активной зоны (САОР) как PWR, так и кипящих реакторов. Использование наножидкости в аккумуляторах САОЗ и аварийном впрыске может увеличить запасы по пиковым температурам оболочки (в активной зоне номинальной мощности) или сохранить их в активных зонах повышенной мощности, если наножидкость имеет более высокую скорость теплопередачи после КГП; (3) теплоноситель для внутрикорпусного удержания расплавленной активной зоны при тяжелых авариях в легководных реакторах большой плотности мощности.Это может увеличить запас прочности корпуса на 40% во время тяжелых аварий в системах с высокой удельной мощностью, таких как Westinghouse APR1000 и Korean APR1400. Хотя существует несколько существенных пробелов, включая теплогидравлические характеристики наножидкости в условиях прототипа реактора и совместимость химии наножидкости с материалами реактора. Необходимо проделать большую работу, чтобы преодолеть эти пробелы, прежде чем какие-либо приложения можно будет реализовать на атомной электростанции.
4.1.6. Космос и оборона
Из-за ограниченного пространства, энергии и веса космических станций и самолетов существует острая потребность в высокоэффективных системах охлаждения меньшего размера. Вы и др. . [69] и Вассало и др. . [70] сообщили об увеличении на порядок критического теплового потока при кипении в бассейне с наножидкостями по сравнению с одной базовой жидкостью. Дальнейшие исследования наножидкостей приведут к разработке охлаждающих устройств следующего поколения, которые включают наножидкости для электронных систем со сверхвысоким тепловым потоком, что дает возможность повысить мощность микросхем в электронных компонентах или упростить требования к охлаждению для космических приложений.Ряд приборов и систем военного назначения требуют охлаждения с высоким тепловым потоком на уровне десятков МВт/м ² . На этом уровне охлаждение военных устройств и систем жизненно важно для надежной работы. Наножидкости с высокими критическими тепловыми потоками могут обеспечить необходимое охлаждение в таких приложениях, а также в других военных системах, включая военные автомобили, подводные лодки и мощные лазерные диоды. Поэтому наножидкости имеют широкое применение в космической и оборонной областях, где удельная мощность очень высока, а компоненты должны быть меньше и легче.
4.2. Повышение массопереноса
Несколько исследований изучали усиление массопереноса наножидкостей. Ким и др. . первоначально исследовали влияние наночастиц на поглощение пузырькового типа для системы поглощения NH ₃ /H ₂ O [71]. Добавление наночастиц повышает эффективность поглощения до 3,21 раза. Затем они визуализировали поведение пузырьков в процессе поглощения NH ₃ /H ₂ O и изучили влияние наночастиц и поверхностно-активных веществ на характеристики поглощения [72].Результаты показывают, что добавление поверхностно-активных веществ и наночастиц улучшило характеристики поглощения до 5,32 раза. Добавление как поверхностно-активных веществ, так и наночастиц значительно улучшило характеристики поглощения во время процесса поглощения пузырьков аммиака. Проведены теоретические исследования термодиффузионной и диффузионно-термоконвективной неустойчивостей в бинарных наножидкостях для абсорбционного применения. Массовая диффузия индуцируется тепловым градиентом. Диффузионтермо подразумевает, что теплопередача индуцируется градиентом концентрации [73].Ма и др. изучали массообменный процесс абсорбции с использованием в качестве рабочей среды УНТ-аммиачных наножидкостей [74, 75]. Скорости поглощения бинарных наножидкостей УНТ-аммиак были выше, чем у раствора аммиака без УНТ. Коэффициент эффективного поглощения бинарных наножидкостей УНТ-аммиак увеличивался с увеличением исходной концентрации аммиака и массовой доли УНТ. Комати и др. изучали абсорбцию CO ₂ в растворах аминов, и добавление феррожидкости увеличивало коэффициент массопереноса при массопереносе газ/жидкость [76], причем степень повышения зависела от количества добавленной феррожидкости.Повышение коэффициента массопереноса составило 92,8% для объемной доли флюида около 50% (объемная доля твердого магнетита около 0,39%). Исследование влияния наножидкости Al ₂ O ₃ на абсорбцию падающей пленкой с аммиачной водой показало, что типы наночастиц и поверхностно-активных веществ в наножидкости и концентрация аммиака в базовой жидкости являются ключевыми параметрами, влияющими на эффект поглощения. аммиака [77].
Пока что механизм, ведущий к усилению массопереноса, все еще не ясен.Имеющихся исследований массопереноса в наножидкостях недостаточно. Для выяснения некоторых важных влияющих факторов необходимо провести большую экспериментальную и модельную работу.
4.3. Energy Applications
Для энергетических применений наножидкостей используются два замечательных свойства наножидкостей: одно — более высокая теплопроводность наножидкостей, улучшающая теплопередачу, другое — поглощающие свойства наножидкостей.
4.3.1. Аккумулирование энергии
Временная разница в источниках энергии и потребностях в энергии сделала необходимой разработку системы хранения.Хранение тепловой энергии в виде явного и скрытого тепла стало важным аспектом управления энергопотреблением с упором на эффективное использование и сохранение отработанного тепла и солнечной энергии в промышленности и зданиях [78]. Аккумулирование скрытого тепла является одним из наиболее эффективных способов хранения тепловой энергии. Ву и др. оценили потенциал наножидкостей Al ₂ O ₃ -H ₂ O в качестве нового материала с фазовым переходом (PCM) для хранения тепловой энергии в системах охлаждения.Испытание на тепловую реакцию показало, что добавление наночастиц Al ₂ O ₃ заметно снижает степень переохлаждения воды, увеличивает время начала замерзания и сокращает общее время замораживания. Только при добавлении 0,2 мас.% наночастиц Al ₂ O ₃ общее время замораживания наножидкостей Al ₂ O ₃ -H ₂ O можно сократить на 20,5%. Лю и др. получили новый вид наножидких материалов с фазовым переходом (PCM) путем суспендирования небольшого количества наночастиц TiO ₂ в насыщенном водном растворе BaCl ₂ [79].Наножидкие ПКМ обладали удивительно высокой теплопроводностью по сравнению с основным материалом. Скорость хранения/подачи при охлаждении и емкость хранения/подачи при охлаждении значительно увеличились по сравнению с водным раствором BaCl ₂ без добавления наночастиц. Более высокие тепловые характеристики ПКМ с наножидкостями указывают на то, что они могут заменить обычные ПКМ в системах охлаждения. Наночастицы меди являются эффективными добавками для улучшения скорости нагрева и охлаждения ПКМ [80].Для композитов с 1 мас. % наночастиц меди время нагрева и охлаждения удалось сократить на 30,3 и 28,2 % соответственно. Скрытые теплоты и температуры фазового перехода очень мало изменились после 100 термоциклов.
4.3.2. Поглощение солнечной энергии
Солнечная энергия является одним из лучших источников возобновляемой энергии с минимальным воздействием на окружающую среду. Обычный солнечный коллектор с прямым поглощением является хорошо зарекомендовавшей себя технологией и был предложен для различных применений, таких как нагрев воды; однако эффективность этих коллекторов ограничена абсорбционными свойствами рабочей жидкости, которые очень плохи для типичных жидкостей, используемых в солнечных коллекторах.Недавно эта технология была объединена с новыми технологиями наножидкостей и суспензий жидких наночастиц для создания нового класса солнечных коллекторов на основе наножидкостей. Отаникар и др. сообщили о результатах экспериментов по солнечным коллекторам на основе наножидкостей, изготовленных из различных наночастиц (УНТ, графита и серебра) [81]. Повышение эффективности солнечных тепловых коллекторов составило до 5% за счет использования наножидкостей в качестве поглощающих сред. Кроме того, они сравнили экспериментальные данные с численной моделью солнечного коллектора с наножидкостями прямого поглощения.Экспериментальные и численные результаты продемонстрировали первоначальное быстрое увеличение эффективности с увеличением объемной доли, за которым следует выравнивание эффективности по мере увеличения объемной доли. Теоретическое исследование возможности использования неконцентрирующего солнечного коллектора прямого поглощения показало, что присутствие наночастиц увеличивает поглощение падающего излучения более чем в девять раз по сравнению с чистой водой [82]. Установлено, что при аналогичных условиях эксплуатации эффективность абсорбционного солнечного коллектора с использованием наножидкости в качестве рабочей жидкости до 10 % выше (в абсолютном выражении), чем у плоского коллектора.Отаникар и Голден оценили общее экономическое и экологическое воздействие технологии по сравнению с обычными солнечными коллекторами, используя методологию оценки жизненного цикла [83]. Результаты показали, что при текущей стоимости наночастиц солнечный коллектор на основе наножидкости имел несколько более длительный период окупаемости, но в конце срока службы имел такую же экономию, как и обычный солнечный коллектор. Сани и др. исследовали оптические и термические свойства наножидкостей, состоящих из водных суспензий одностенных углеродных нанорогов [84].Наблюдаемые различия в оптических свойствах, вызванные наночастицами, оказались многообещающими, что привело к значительно более высокому поглощению солнечного света. Оба этих эффекта вместе с возможной химической функционализацией углеродных нанорогов делают этот новый тип наножидкостей очень интересным для повышения общей эффективности устройства, использующего солнечный свет.
4.4. Механические применения
Почему наножидкости обладают отличными свойствами снижения трения? Наночастицы в наножидкостях образуют на изнашиваемой поверхности защитную пленку с низкой твердостью и модулем упругости, что можно рассматривать как основную причину того, что некоторые наножидкости проявляют отличные смазывающие свойства.
Магнитные жидкости представляют собой специальные наножидкости. Вращающиеся магнитно-жидкостные уплотнения работают без обслуживания и имеют чрезвычайно низкую утечку в очень широком диапазоне применений, используя магнитные свойства магнитных наночастиц в жидкости.
4.4.1. Снижение трения
Передовые смазочные материалы могут повысить производительность за счет энергосбережения и надежности инженерных систем. Трибологические исследования уделяют особое внимание снижению трения и износа.В последние годы наночастицы вызвали большой интерес из-за их превосходной несущей способности, хороших противозадирных и снижающих трение свойств. Чжоу и др. оценили трибологическое поведение наночастиц Cu в масле на четырехшариковой машине. Результаты показали, что наночастицы Cu в качестве присадки к маслу обладают лучшими антифрикционными и противоизносными свойствами, чем дитиофосфат цинка, особенно при высокой приложенной нагрузке. Между тем, наночастицы также могут значительно улучшить несущую способность базового масла [85].Было обнаружено, что дисперсия твердых частиц играет важную роль, особенно при образовании слоя суспензии. Al ₂ O ₃ на водной основе и алмазные наножидкости применялись в процессе шлифования чугуна с минимальным количеством смазки (MQL). Во время шлифования MQL с наножидкостью на поверхности круга образовывался плотный и твердый слой шлама, который мог повысить эффективность шлифования. Наножидкости продемонстрировали преимущества снижения усилия шлифования, улучшения шероховатости поверхности и предотвращения пригорания заготовки.По сравнению с сухим шлифованием, шлифование MQL может значительно снизить температуру шлифования [86]. Изучены износостойкие и фрикционные свойства наночастиц меди с модифицированной поверхностью в качестве присадки к маслу 50СС. Чем выше температура применяемого масла, тем лучше трибологические свойства наночастиц меди. Можно предположить, что на изношенной поверхности образовалась тонкая медная защитная пленка с более низким модулем упругости и твердостью, что привело к хорошим трибологическим характеристикам наночастиц меди, особенно при более высокой температуре масла [87].Ю и др. впервые сообщили, что композит многостенных углеродных нанотрубок с ионной жидкостью при комнатной температуре был оценен в качестве смазочной добавки в ионной жидкости из-за их превосходной диспергируемости и того, что композит показал хорошие антифрикционные и противоизносные свойства в процессе трения [88]. Ван и др. . изучали трибологические свойства наножидкостей на основе ионных жидкостей, содержащих функционализированные МУНТ, при нагрузках в диапазоне 200–800 Н [89], показывая, что наножидкости демонстрируют предпочтительные свойства снижения трения при 800 Н и замечательные противоизносные свойства при использовании разумных концентраций. .Магнитные наночастицы Mn _0,78 Zn _0,22 Fe ₂ O ₄ также были эффективной присадкой к смазочным материалам. При использовании в качестве смазочной присадки в турбинном масле 46 оно могло улучшить износостойкость, несущую способность и антифрикционную способность базового масла, а уменьшение диаметра пятна износа в процентах составило 25,45% по сравнению с базовым маслом. Это было типичное явление самовосстановления [90]. Чен и др. . сообщил о повышении стабильности дисперсии и обсуждении принципа самовосстановления ультрадисперсного дисульфида вольфрама в зеленом смазочном масле [91].Ультрамелкие частицы дисульфида вольфрама могут заполнять и выравнивать борозды на абразивных поверхностях, хорошо восстанавливая абразивную поверхность. Более того, ультратонкие частицы дисульфида вольфрама могут образовывать пленку WS ₂ с низким напряжением сдвига путем адсорбции и осаждения в полости абразивной поверхности, делая абразивную поверхность более гладкой, а пленка FeS, образующаяся в результате трибохимической реакции, может защищать абразивную поверхность далее, все из которых реализуют самовосстановление абразивной поверхности.Трибологические свойства жидкого парафина с добавкой наночастиц SiO ₂, изготовленного золь-гель методом, исследовали Peng et al . [92]. Оптимальные концентрации наночастиц SiO ₂ в жидком парафине были связаны с лучшими трибологическими свойствами, чем чистое парафиновое масло, и противоизносной способностью, зависящей от размера частиц, а поверхностно-модифицированные олеиновой кислотой наночастицы SiO ₂ со средним диаметром 58 нм обеспечивает лучшие трибологические свойства по несущей способности, противоизносным свойствам и снижению трения, чем чистый жидкий парафин.Наночастицы могут легко проникать в трущиеся поверхности из-за своего наноразмера. В процессе трения между трющимися поверхностями образуется тонкая физическая трибопленка из наночастиц, которая не только несет нагрузку, но и разделяет трущиеся поверхности. Сферические наночастицы SiO ₂ могут катиться между трющимися поверхностями при трении скольжения, и изначально чистое трение скольжения становится смешанным трением скольжения и трением качения. Поэтому коэффициент трения заметно снижается, а затем остается постоянным.
4.4.2. Магнитное уплотнение
Магнитные жидкости (ферромагнитные жидкости) являются разновидностью специальных наножидкостей. Они представляют собой стабильные коллоидные суспензии мелких магнитных частиц, таких как магнетит (Fe ₃ O ₄). Свойства магнитных наночастиц, магнитного компонента магнитных наножидкостей, можно адаптировать, варьируя их размер и адаптируя их поверхностное покрытие для удовлетворения требований коллоидной стабильности магнитных наножидкостей с неполярными и полярными жидкостями-носителями [93].По сравнению с механическим уплотнением, магнитное уплотнение предлагает экономически эффективное решение для уплотнения окружающей среды и опасных газов в широком спектре промышленного ротационного оборудования с высокой скоростью, низкими потерями мощности на трение, длительным сроком службы и высокой надежностью [94]. . Кольцевой магнит является частью магнитной цепи, в которой интенсивное магнитное поле создается в зазорах между зубьями на магнитопроницаемом валу и поверхностью противополюсного блока. Феррожидкость, введенная в зазоры, образует дискретные жидкостные кольца, способные выдерживать перепад давления при нулевой утечке.Уплотнения работают без износа при вращении вала, поскольку механические подвижные части не соприкасаются. Благодаря этим уникальным характеристикам уплотнительные жидкости с магнитными жидкостями могут применяться во многих областях применения. Сообщается, что магнитные жидкости, диспергированные в частицах железа, использовались для уплотнения высокоскоростного насоса. Уплотнение выдерживает давление 618 кПа при частоте вращения 1800 об/мин [95]. Митамура и др. изучали применение магнитно-жидкостного уплотнения в ротационных насосах для крови. Разработанное магнитно-жидкостное уплотнение работало более 286 дней в условиях непрерывного потока, в течение 24 дней (постоянно) в условиях пульсирующего потока и в течение 24 часов (выборочно прекращено) в режиме кровотока [96].Для масляного уплотнения использовалась феррокобальтовая магнитная жидкость, а удерживающее давление в 25 раз выше, чем у обычного магнетитового уплотнения [97].
4.5. Биомедицинская заявка
Некоторые специальные виды наночастиц обладают антибактериальной активностью или способностью доставлять лекарства, поэтому наножидкости, содержащие эти наночастицы, будут обладать некоторыми соответствующими свойствами.
4.5.1. Антибактериальная активность
Органические антибактериальные материалы часто менее стабильны, особенно при высоких температурах или давлениях.Как следствие, неорганические материалы, такие как металлы и оксиды металлов, привлекли большое внимание за последнее десятилетие из-за их способности выдерживать жесткие условия технологического процесса. Антибактериальное поведение наножидкостей ZnO показывает, что наножидкости ZnO обладают бактериостатической активностью против [98]. Электрохимические измерения предполагают некоторое прямое взаимодействие между наночастицами ZnO и мембраной бактерий при высоких концентрациях ZnO. Джалал и др. приготовили наночастицы ZnO зеленым методом.Антибактериальную активность суспензий наночастиц ZnO в отношении Escherichia coli (E. coli) оценивали путем оценки степени восстановления бактерий, обработанных ZnO. Коэффициент выживаемости бактерий снижается с увеличением концентрации наножидкостей ZnO и времени [99]. Дальнейшие исследования убедительно показали, что наночастицы ZnO обладают широким спектром антибактериального действия на ряд других микроорганизмов. Антибактериальная активность ZnO может зависеть от размера и наличия нормального видимого света [100].Недавние исследования показали, что наночастицы ZnO проявляют впечатляющие антибактериальные свойства против важного патогена пищевого происхождения, E. coli O157 : H7, а ингибирующие эффекты усиливаются по мере увеличения концентрации наночастиц ZnO. Наночастицы ZnO изменили компоненты клеточной мембраны, включая липиды и белки. Наночастицы ZnO могут искажать клеточную мембрану бактерий, что приводит к потере внутриклеточных компонентов и, в конечном итоге, к гибели клеток, что считается эффективным антибактериальным средством для защиты сельскохозяйственной и пищевой безопасности [101].
Исследование антибактериальной активности наночастиц CuO показало, что они обладают антибактериальной активностью в отношении четырех штаммов бактерий. Размер наночастиц был меньше, чем размер пор в бактериях, и, таким образом, они обладали уникальным свойством беспрепятственно пересекать клеточную мембрану. Можно предположить, что эти наночастицы образовывали устойчивые комплексы с жизненно важными ферментами внутри клеток, что нарушало функционирование клеток, приводя к их гибели [102].Объемные эквиваленты этих продуктов не проявляли ингибирующей активности, что указывает на то, что размер частиц был определяющим фактором активности [103]. Ли и др. . сообщили об антибактериальной эффективности наноразмерного коллоидного раствора серебра на целлюлозных и синтетических тканях [104]. Антибактериальная обработка текстильных тканей легко достигается путем пропитки их наноразмерным коллоидным раствором серебра. Антибактериальная эффективность тканей сохранялась после многократных стирок. Коллоид серебра является эффективным антибактериальным средством.Коллоид серебра, полученный одностадийным синтезом, показал высокую противомикробную и бактерицидную активность в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий, в том числе штаммов с высокой полирезистентностью, таких как метициллинрезистентный золотистый стафилококк. Установлено, что антибактериальная активность наночастиц серебра зависит от размера частиц серебра. Очень низкая концентрация серебра давала антибактериальные свойства [105]. Водные суспензии фуллеренов и нано-TiO ₂ могут образовывать активные формы кислорода (АФК).Тесты на бактериальную ( E. coli ) токсичность показали, что в отличие от нано-TiO ₂, который был исключительно фототоксичен, антибактериальная активность фуллереновых суспензий была связана с продукцией АФК. Nano-TiO ₂ может быть более эффективным для очистки воды с использованием ультрафиолетовой или солнечной энергии, для усиления окисления загрязняющих веществ и, возможно, для дезинфекции. Однако фуллерол и PVP/C ₆₀ могут быть полезны в качестве агентов для обработки воды, нацеленных на определенные загрязняющие вещества или микроорганизмы, более чувствительные к супероксиду или синглетному кислороду [106].Lyon и Alvarez предположили, что суспензии C ₆₀ вызывали независимый от АФК окислительный стресс у бактерий с признаками окисления белков, изменениями потенциала клеточных мембран и прерыванием клеточного дыхания. Этот механизм требует прямого контакта между наночастицами и бактериальной клеткой и отличается от ранее описанных антибактериальных механизмов наноматериалов, которые включают образование АФК (оксиды металлов) или выщелачивание токсичных элементов (наносеребро) [107].
4.5.2. Доставка нанолекарств
За последние несколько десятилетий были разработаны коллоидные системы доставки лекарств с целью повышения эффективности и специфичности действия лекарств [108]. Небольшой размер, индивидуальная поверхность, улучшенная растворимость и многофункциональность наночастиц открывают множество дверей и создают новые биомедицинские приложения. Новые свойства наночастиц позволяют по-новому взаимодействовать со сложными клеточными функциями [109]. Наночастицы золота обеспечивают нетоксичные носители для доставки лекарств и генов.В этих системах золотое ядро придает конструкции стабильность, а монослой позволяет настраивать поверхностные свойства, такие как заряд и гидрофобность. Еще одной привлекательной особенностью наночастиц золота является их взаимодействие с тиолами, обеспечивающее эффективное и селективное средство контролируемого внутриклеточного высвобождения [110]. Накано и др. предложил систему доставки лекарств с использованием наномагнитной жидкости [111], которая нацеливала и концентрировала лекарства с помощью кластера феррожидкости, состоящего из магнитных наночастиц.Потенциал магнитных наночастиц связан с внутренними свойствами их магнитных сердечников в сочетании с их способностью загружать лекарство и биохимическими свойствами, которые можно придать им с помощью подходящего покрытия. УНТ появились как новый альтернативный и эффективный инструмент для транспортировки и перемещения терапевтических молекул. УНТ можно функционализировать биоактивными пептидами, белками, нуклеиновыми кислотами и лекарствами и использовать для доставки их грузов в клетки и органы. Поскольку функционализированные УНТ обладают низкой токсичностью и не являются иммуногенными, такие системы имеют большой потенциал в области нанобиотехнологий и наномедицины [112, 113].Пасторин и др. разработали новую стратегию функционализации УНТ двумя разными молекулами с использованием 1,3-диполярного циклоприсоединения азометинилидов [114]. Присоединение молекул, которые будут нацелены на специфические рецепторы на опухолевых клетках, поможет улучшить реакцию на противораковые агенты. Лю и др. обнаружили, что предварительно функционализированные УНТ могут адсорбировать широко используемые ароматические молекулы путем простого смешивания, образуя на УНТ сборки, подобные «лесным кустам», с ПЭГ, простирающимся в воду, чтобы придать растворимость, а ароматические молекулы плотно заселяют боковые стенки УНТ.В работе разработан новый, простой в приготовлении состав комплекса SWNT-доксорубицин с чрезвычайно высокой эффективностью загрузки лекарственного средства [115].
В последние годы системы доставки лекарств на основе графена привлекают все больше внимания. В 2008 г. Сан и соавт. впервые сообщили о применении оксида нанографена (NGO) для клеточной визуализации и доставки лекарств [116]. Они разработали химию функционализации, чтобы придать растворимость и совместимость NGO в биологических средах.Простая физиосорбция посредством π -стекинга может быть использована для загрузки доксорубицина, широко используемого противоракового препарата, на NGO, функционализированную антителом, для избирательного уничтожения раковых клеток in vitro. Установлено, что функциональный наноразмерный оксид графена является новым наноносителем для загрузки и адресной доставки противоопухолевых препаратов [117]. Контролируемое нанесение двух противоопухолевых препаратов на NGO, конъюгированные с фолиевой кислотой, посредством стэкинга π — π и гидрофобных взаимодействий продемонстрировало, что NGO, нагруженные двумя противоопухолевыми препаратами, демонстрировали специфическое нацеливание на клетки MCF-7 (клетки рака молочной железы человека с фолиевой кислотой). рецепторы) и чрезвычайно высокой цитотоксичностью по сравнению с NGO, нагруженными только доксорубицином или камптотецином.Пегилированный (ПЭГ: полиэтиленгликоль) оксид нанографена можно использовать для доставки нерастворимых в воде лекарств от рака [118]. Пегилированный NGO легко образует комплексы с нерастворимой в воде ароматической молекулой SN38, аналогом камптотецина, за счет нековалентного взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Комплекс NGO-PEG-SN38 демонстрирует превосходную растворимость в воде и сохраняет высокую активность свободного SN38, растворенного в органических растворителях. Ян и др. найдено GO-Fe ₃ O ₄ Гибрид может быть загружен противоопухолевым препаратом гидрохлоридом доксорубицина с высокой нагрузочной способностью [119].Этот гибрид GO-Fe ₃ O ₄ проявлял суперпарамагнитные свойства и мог собираться в кислых условиях и обратимо редиспергироваться в щелочных условиях. Это контролируемое магнитное поведение, запускаемое рН, делает этот материал многообещающим кандидатом для контролируемой адресной доставки лекарств.
4.6. Другие приложения
4.6.1. Intensify Microreactors
Открытие значительного усиления теплопередачи в наножидкостях может быть применимо к области интенсификации процесса химических реакторов за счет интеграции функций реакции и теплопередачи в компактных многофункциональных реакторах.Фан и др. . изучали наножидкость на основе доброкачественного материала TiO ₂, диспергированного в этиленгликоле в интегрированном реакторе-теплообменнике [120]. Общее увеличение коэффициента теплопередачи составило до 35% в стационарных непрерывных экспериментах. Это привело к более точному контролю температуры в реакции селективного восстановления ароматического альдегида молекулярным водородом и очень быстрому изменению температуры реакции при динамическом управлении реакцией.
4.6.2. Наножидкости в качестве автомобильных тормозных жидкостей
Кинетическая энергия транспортного средства рассеивается за счет тепла, выделяемого в процессе торможения, и это передается через тормозную жидкость в гидравлической тормозной системе [39], и в настоящее время существует более высокий спрос на свойства тормозных масел. Тормозные наножидкости на основе оксида меди и алюминия были изготовлены с использованием системы синтеза наночастиц с погружением в дугу и системы плазменной зарядки дуги соответственно [121, 122]. Оба вида наножидкостей обладают улучшенными свойствами, такими как более высокая температура кипения, более высокая вязкость и более высокая проводимость, чем у традиционной тормозной жидкости.Обладая более высокой температурой кипения, проводимостью и вязкостью, наножидкое тормозное масло уменьшит возникновение паровых пробок и обеспечит повышенную безопасность во время вождения.
4.6.3. Микробный топливный элемент на основе наножидкостей
Микробные топливные элементы (МТЭ), которые используют энергию, содержащуюся в углеводах, белках и других богатых энергией природных продуктах, для выработки электроэнергии, имеют многообещающее будущее. Отличные характеристики MFC зависят от электродов и электронного медиатора. Шарма и др. . сконструировал новый микробный топливный элемент (МТЭ) с использованием новых электронных посредников и электродов на основе УНТ [123]. Новые медиаторы представляют собой наножидкости, которые были приготовлены путем диспергирования нанокристаллических УНТ, закрепленных платиной, в воде. Они сравнили характеристики нового MFC на основе E. coli с ранее опубликованными микробными топливными элементами на основе E. coli с нейтральными красными и метиленовыми синими электронными медиаторами. Производительность МТЭ с использованием наножидкостей на основе УНТ и электродов на основе УНТ сравнивалась с МТЭ с обычным графитовым электродом.Электроды на основе УНТ показали почти 6-кратное увеличение удельной мощности по сравнению с графитовыми электродами. Работа демонстрирует потенциал наночастиц благородных металлов, диспергированных на МФЦ на основе УНТ, для генерации высоких энергий даже из простых бактерий, таких как E. coli .
4.6.4. Наножидкости с уникальными оптическими свойствами
Оптические фильтры используются для выбора различных длин волн света. Оптический фильтр на основе феррожидкости обладает настраиваемыми свойствами. Желаемый диапазон центральной длины волны можно настроить с помощью внешнего магнитного поля.Филип и др. . разработала эмульсию на основе феррожидкости для выбора различных диапазонов длин волн в УФ, видимом и ИК диапазонах [124]. Желаемый диапазон длин волн, ширину полосы и процент отражательной способности можно легко контролировать с помощью специально подобранных эмульсий феррожидкости. Мишра и др. разработали наножидкости с селективными видимыми цветами в наночастицах золота, встроенных в полимерные молекулы поливинилпирролидона (ПВП) в воде [125]. Они сравнили развитие видимых видимых цветов при формировании наножидкостей Au-PVP 0.05, 0,10, 0,50 и 1,00 мас.% Au. Полосы поверхностного плазмона, возникающие в области 480–700 нм, чувствительно изменяются по своему положению, а также по интенсивности при изменении содержания Au в пределах 0–1 % масс.
5. Выводы и дальнейшая работа
В последние десятилетия сообщалось о многих интересных свойствах наножидкостей. В этой статье представлен обзор последних достижений в изучении наножидкостей, включая методы приготовления, методы оценки их стабильности, способы повышения их стабильности, механизмы стабильности и их потенциальное применение для интенсификации теплопереноса, повышения массопереноса. , энергетические поля, механические поля, биомедицинские поля и так далее.
Несмотря на то, что наножидкости продемонстрировали чрезвычайно интересные потенциальные применения, существуют и некоторые существенные препятствия, препятствующие коммерциализации наножидкостей. В будущем больше внимания следует уделить следующим ключевым вопросам. Во-первых, необходимы дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования, чтобы найти основные факторы, влияющие на характеристики наножидкостей. До сих пор нет согласия между экспериментальными результатами разных групп, поэтому важно систематически выявлять эти факторы.Детальные и точные структурные характеристики суспензий могут быть ключом к объяснению расхождений в экспериментальных данных. Во-вторых, увеличение вязкости при использовании наножидкостей является важным недостатком из-за связанного с этим увеличения мощности накачки. Перспективны применения наножидкостей с низкой вязкостью и высокой проводимостью. Повышение совместимости между наноматериалами и базовыми жидкостями за счет изменения свойств интерфейса двух фаз может быть одним из путей решения.В-третьих, форма добавок в наножидкостях очень важна для свойств; поэтому новые подходы к синтезу наножидкостей с управляемой микроскопической структурой будут интересной исследовательской работой. В-четвертых, стабильность суспензии является важным вопросом как для научных исследований, так и для практических приложений. Следует уделять больше внимания стабильности наножидкостей, особенно долговременной стабильности, стабильности в практических условиях и стабильности после тысяч тепловых циклов.В-пятых, отсутствуют исследования тепловых характеристик наножидкостей при высоких температурах, что может расширить возможные области применения наножидкостей, например, при высокотемпературном поглощении солнечной энергии и высокотемпературном хранении энергии. В то же время высокая температура может ускорить деградацию поверхностно-активных веществ, используемых в качестве диспергаторов в наножидкостях, и может увеличить пенообразование. Эти факторы следует учитывать. Наконец, свойства наножидкостей сильно зависят от формы и свойств добавки.Выводы Се показали, что повышение теплопроводности было отрегулировано путем измельчения в шаровой мельнице и резки обработанных УНТ, взвешенных в наножидкостях, до относительно прямых УНТ с соответствующим распределением по длине. Они предложили концепцию коэффициента прямолинейности для объяснения фактов (рис. 3). Исследования наножидкостей могут быть обогащены и расширены за счет изучения новых наноматериалов. Например, недавно обнаруженный двухмерный одноатомный листовой графен является многообещающим материалом-кандидатом для повышения теплопроводности базовой жидкости [126, 127], как показано на рисунке 4.Концепция наножидкостей расширяется за счет использования материалов с фазовым переходом, что выходит далеко за рамки простого увеличения теплопроводности жидкости [128]. Обнаружено, что наножидкость с фазовым переходом индий/полиальфаолефин демонстрирует одновременно повышенную теплопроводность и удельную теплоемкость.

Благодарности
Работа была поддержана New Century Excellent Talents in University (NECT-10-883), Программой для профессоров специального назначения (Eastern Scholar) в Шанхайских высших учебных заведениях и частично Национальным Фонд естественных наук Китая (51106093).
Распространенные режимы отказа рентгеновской трубки
Распространенные режимы отказа рентгеновской трубки
АН-02
Введение
Рентгеновские трубки
— это проверенный и экономичный способ получения рентгеновского излучения, применимого в медицине, инспекциях и научных областях. На протяжении более 100 лет рентгеновские трубки совершенствовались благодаря новым применениям, материалам, технологическому оборудованию и конструкции. Сегодня преобладают два типа трубок: трубки с вращающимся анодом, используемые в основном в медицинских целях, от 25 киловольт (кВ) до 150 кВ, и трубки со стационарным анодом, используемые в инспекционной промышленности, от 25 кВ до более 400 кВ, некоторые из них в диапазоне миллионов вольт.Стационарные анодные лампы обычно работают при токе 1-20 миллиампер почти в непрерывном режиме и могут работать много часов подряд. Лампы с вращающимся анодом работают при силе тока свыше 1000 миллиампер, но в основном используются в импульсном режиме от 1 мс до 10 с.
При производстве рентгеновских лучей менее 1% энергии дает полезные рентгеновские лучи, а остальные 99% преобразуются в тепло. Этот фактор ограничивает срок службы рентгеновской трубки. Многие научные дисциплины необходимы и должны контролироваться для производства качественного продукта.К ним относятся: термодинамика, теплопередача, материаловедение, вакуумная технология, высокое напряжение, электроника, атомные и радиационные дисциплины, производственные процессы и многие менее важные, но важные технологии. Интеграция и управление рентгеновской трубкой и генератором имеет решающее значение для получения ожидаемых технических результатов и длительного срока службы трубки.
1. Нормальное старение
a) Нормальное выгорание нити накала
b) Ускоренное выгорание нити накала
c) Медленные утечки
d) Бездействие
e) Трещины на стекле
f) Возникновение дуги
g) Микротрещины мишени
h) Случайное повреждение
i) Подшипники
2.Недостатки в производстве
a) Немедленные отказы
i) Отсеивание с помощью испытаний
ii) Период выдержки
iii) Неподходящие материалы
iv) Сбои в процессе
b) Скрытые сбои
i) Оптимизация процесса
ii) Незначительные/плохо понятые процессы
iii) Анализ отказов /Неотслеживаемые причины
3. Несоответствие приложений
a) Низкое кВ/высокое мА излучение
b) Температура/срок службы
4. Неправильный привод из-за источника питания
a) Полное сопротивление источника питания
b) Постоянный/переменный ток накала
c) Высокая частота
d) Скорость вращения/торможение
e) Усиление нити накала
f) Логические схемы
g) Ограничение нити накала/Настройки предварительного нагрева нити накала
5.Рекомендации по корпусу трубки
a) Утечка диэлектрика (масла)
b) Перегрев
c) Температура окружающей среды
d) Положение корпуса
e) Соединения кабелей/заземления
f) Требования к диэлектрическому расширению
g) Номинальные характеристики
1. Нормальное старение.
Рентгеновские трубки
стареют и имеют ограниченный срок службы, поскольку характеристики и используемые материалы начинают постепенно ухудшаться и изнашиваются, так что производительность постепенно снижается, пока они не перестанут быть удовлетворительными.
а. Нормальное перегорание нити накала: Электронный пучок в рентгеновской трубке обеспечивается вольфрамовой нитью накала, которая использовалась с момента появления электронных ламп, а также в лампах накаливания. Несмотря на эксперименты с другими эмиттерами: катодами диспенсера, гексаборидом лантана и церия, вольфрамом, легированным торием и рением, чистый вольфрам остался лучшим материалом накала. Нить накала сделана из проволоки, свернутой в спираль и вставленной в чашу, которая действует как фокусирующий элемент для формирования необходимого прямоугольного электронного пучка.Спираль служит для укрепления нити накала и обеспечивает увеличенную площадь поверхности, чтобы максимизировать эмиссию электронов.
Вольфрамовая проволока
легкодоступна и перерабатывается в пригодные для использования формы. Проволока относительно прочная, прочная и сохраняет свою форму при контролируемых нагрузках, таких как вибрация и удары. Производители рентгеновских трубок стабилизируют и укрепляют нити с помощью процесса, называемого рекристаллизацией. Это изменяет микроструктуру необработанной волокнистой проволоки на такую, в которой кристаллическая структура имеет отношение длины к диаметру в диапазоне от 3 до 6.Рекристаллизация достигается очень быстрым нагревом проволоки примерно до 2600 градусов по Цельсию за несколько секунд и выдержкой ее там в течение очень короткого времени.
Общим параметром для нитей накала является срок службы нити. Когда горячий вольфрам медленно испаряется с его поверхности, чем выше температура, тем больше скорость испарения. В идеале вольфрам испаряется равномерно, но на практике он начинает образовывать горячие точки на границах кристаллических зерен, которые видны как «выемки». В горячих точках вольфрам испаряется быстрее, а проволока в этих местах становится тоньше, что в конечном итоге приводит к обгоранию.Чем выше температура нити накала, тем больше со временем растут зерна вольфрама и тем быстрее происходит надрез. Кроме того, если допускается высокий пусковой ток с холодной нитью накала, это ускоряет перегорание из-за перегрева утонченных участков.
Для срока службы нити уменьшение массы проволоки примерно на 10 % считается окончанием срока службы. Это представляет собой уменьшение диаметра проволоки на 5,13%, а срок службы нити накала составляет около 98%. (Срок службы вольфрамовой нити при нагреве постоянным током, А.Уилсон, Журнал прикладной физики, том. 40 № 4 Стр. 1956 г., 15 марта 1969 г.) (В этой ссылке также хорошо показано изображение нити с надрезом, работающей в условиях постоянного тока, и проволоки без надреза, работающей в условиях переменного тока.) Уменьшение диаметра на 5 или 6% считается окончанием срока службы многими производителями. .
б. Ускоренное выгорание нити накала: на характеристики рентгеновской трубки влияет несколько факторов, в том числе: ток трубки, напряжение трубки, расстояние между анодом и катодом, угол мишени и размер фокусного пятна (размер электронного луча).На размер фокусного пятна влияют: площадь поверхности проволоки, шаг спирали (количество витков на дюйм), диаметр/длина спирали, выступ нити накала в фокусирующей чаше и форма самой чашки. Только высокое напряжение от анода к катоду и ток накала (температура) определяют эмиссию трубки. Эмиссия регулируется уравнением Ричардсона-Душмана, которое очень зависит от температуры нити накала; чем выше температура, тем больше эмиссия.
Нить накала в трубке нагревается сильнее, когда от трубки требуется больший ток трубки при фиксированном напряжении или когда требуется больший ток трубки, но трубка работает при более низком напряжении.Например, сравниваются два случая для трубки с неподвижным анодом. Во-первых: лампа, работающая при 160 кВ при 1 миллиампер (мА), по сравнению с 5 мА. В этой трубке рассчитано, что нить накала работает при температуре около 2086 градусов Кельвина по сравнению с 2260 градусами Кельвина при 5 мА. Увеличение на 174 градуса приводит к увеличению скорости испарения в 21 раз при токе 5 мА по сравнению с 1 мА. («Скорость испарения и давление паров вольфрама…», Джонс и Маккей, Physical Review, Vol. XX № 2, август 1927 г.) Во-вторых, для той же трубки, работающей при 40 кВ при 5 мА по сравнению с 160 кВ и 1 мА, температура составляет 2300 К и 2086 К соответственно, что сокращает срок службы примерно в 43 раза. Интересно, что относительно небольшое сокращение срока службы наблюдается при низком токе трубки при снижении напряжения на трубке; например, 160 кВ против 40 кВ, оба для 1 мА, только сокращают срок службы в 1,3 раза, а 160 кВ против 40 кВ оба при 5 мА уменьшают в 2,1 раза.
Итого:
160 кВ при 5 мА по сравнению с160 кВ при 1 мА Срок службы нити накала в 21 раз меньше
40 кВ при 5 мА по сравнению со 160 кВ при 1 мА Срок службы нити накала в 43 раза меньше
40 кВ при 1 мА по сравнению со 160 кВ при 1 мА Срок службы нити накала в 1,3 раза меньше
40 кВ при 5 мА против 160 кВ при 5 мА В 2,1 раза меньше срок службы нити накала
Это показывает, что увеличение тока трубки (вызванное повышением температуры нити накала) гораздо важнее, чем изменение напряжения трубки. Отдельные типы трубок, а также отдельные трубки одного типа будут отличаться от этих примеров.
Выход из строя нити накала из-за перегорания вызван высокими рабочими температурами; чем выше температура, тем быстрее нить накала сгорит.Вольфрам испаряется с поверхности нити, но неравномерно, поэтому образуются горячие точки, которые испаряются быстрее. Горячие точки возникают на гранях кристаллов вольфрама, которые преимущественно испаряются на разных поверхностях кристаллов. Чем выше температура нити и чем дольше она там работает, тем крупнее вырастают кристаллы. Долгий срок службы достигается за счет длинных и узких кристаллов вдоль оси проволоки и поддержания как можно более низкой температуры.
г. Медленные утечки: для работы рентгеновских трубок требуется высокий вакуум.Уплотнения стекло-металл и металлические паяные соединения, которые подходят для начала, начинают утомляться и иногда начинают пропускать незначительное количество газа, постепенно увеличивая давление газа. Работа трубки начинает страдать из-за испарения материалов и дугового разряда высокого напряжения, которые могут быть вызваны более высоким давлением газа.
д. Неактивность: Отсутствие работы позволяет газам внутри вакуумной трубки скапливаться и мигрировать вдоль поверхностей. Когда на нить подается питание и подается высокое напряжение, дуговое перекрытие может произойти, особенно при более высоких рабочих напряжениях.Большинство производителей рекомендуют процедуру прогрева в зависимости от периода бездействия. Это обязательно универсальная процедура, но одна процедура может не подойти всем. В некоторых случаях необходима дополнительная расширенная работа, включая работу с более высокой мощностью или напряжением, называемая выдержкой, которая помогает работе трубки. Это может работать неудовлетворительно или вообще не работать, и трубку необходимо заменить.
эл. Растрескивание стекла: Большинство трубок изготавливаются из стекла в качестве сосуда с вакуумными стенками, но стекло также выполняет задачу изоляции электродов трубки (катода, анода и земли) от токов утечки и дугового разряда.Со временем и в зависимости от условий эксплуатации металл (вольфрам) с анода и нити накала начинает испаряться на стеклянные поверхности, что в конечном итоге приводит к дуговому разряду и выходу трубки из строя.
Дугообразование воздействует на испаряемый материал и может вызвать травление стеклянных изоляторов. Это состояние часто называют «крайзингом» или «травлением».
Для смягчения последствий испарения используются различные методы, в том числе: пескоструйная обработка стекла (что увеличивает изолирующий путь), использование анода с колпаком на стационарных анодных трубках (колпак или кожух уменьшает целевое испарение на стекло), вакуум в металлическом центре стенки (которые уменьшают испарение нити на стекло в трубках с вращающимся анодом и некоторых трубках с неподвижным анодом) и использование керамики.Эти методы не устраняют испарение металла, но значительно уменьшают его отложение на стеклянных и керамических изолирующих поверхностях, тем самым отсрочив тенденцию к возникновению дугового разряда. Эти методы могут привести к другим нежелательным эффектам, например, пескоструйная обработка стекла может привести к высвобождению стеклянных частиц, что приведет к дуговому разряду.
ф. Дугообразование: Дугообразование является распространенной проблемой во всех высоковольтных системах. Некоторые причины были упомянуты выше: высокий уровень газа в вакууме, испарение проводящего металла на поверхности изолятора, а также образование трещин или травление изоляторов, что, в свою очередь, приводит к более высокому давлению газа или ухудшает способность изоляторов удерживать высокое напряжение.Другие причины, такие как мелкие изоляторы или металлические частицы, которые высвобождаются при работе или могут образовываться внутри трубы, создают газ и проводящие пленки на изоляторах. Эти частицы могут вызывать небольшие, но сфокусированные электронные пучки, вызывающие дуговые разряды.
г. Микротрещины мишени: При подаче питания на трубку электронный луч попадает на мишень, и температура под этим лучом быстро повышается. Для ламп с неподвижным анодом мощность и температура относительно низкие, а равновесная температура достигается за доли минуты.Поверхность вольфрамовой мишени может легко достигать температуры плавления вольфрама (3400 градусов по Цельсию), но ограничена примерно 400 градусами Цельсия (750 по Фаренгейту), поэтому вольфрамовый диск не отсоединяется от своего медного основания. Повышение температуры на поверхности мишени вызывает напряжения, которые могут привести к микротрещинам на поверхности мишени. Со временем и при циклическом включении/выключении эти трещины растут, и некоторые электроны в пучке попадают в эти трещины, поэтому результирующее рентгеновское излучение изменяется. Вольфрам поглощает часть излучения из трещин, и интенсивность излучения снижается, а энергия рентгеновских лучей становится более жесткой (имея лучи с более высокой энергией).Запуск труб с меньшей мощностью и меньшим углом цели) также уменьшает эту тенденцию.
Для ламп с вращающимся анодом, мощность которых может быть в 1000 раз выше, чем у стационарного анода, целевые микротрещины гораздо более серьезны, и поэтому их последствия сильнее. Температура целевого фокусного пятна во вращающейся анодной трубке может достигать 2800 градусов Цельсия (более 5000 градусов по Фаренгейту). Пониженное излучение в зависимости от количества экспозиций часто называют «падением радиации». Микротрещины уменьшаются за счет использования самой низкой необходимой мощности, максимально возможного фокусного пятна и более длительных экспозиций при пониженной мощности, а не более коротких экспозиций при более высокой мощности.Такие критерии применимы и к трубкам со стационарным анодом. Микротрещины уменьшают теплопередачу, что увеличивает температуру фокального пятна, что увеличивает испарение вольфрамовой мишени на стекло.
ч. Случайное повреждение: Хотя это и не является серьезной причиной отказа, случайное повреждение может быть вызвано несоблюдением рекомендуемых протоколов во время установки и эксплуатации. Непонимание, незнание и предположения могут привести к случайному повреждению. Применяется поговорка плотника: один раз отмерь, два отрежь; дважды отмерь, один раз отрежь.Для рентгеновских трубок проверяйте и проверяйте еще раз.
я. Подшипники: Выход из строя подшипников трубок с вращающимся анодом может быть проблематичным. Все механические системы изнашиваются и перестают работать, поэтому главное — добиться долговечности. Высокая температура и высокая скорость значительно сокращают срок службы подшипника. Во время работы смазка (обычно серебро или свинец) стирается с поверхностей шарика и качения, оставляя контакт стали со сталью, что приводит к заклиниванию или заклиниванию. При консервативном использовании подшипники обычно переживают другие отказоустойчивые механизмы.Требования к излучению и работа должны быть тщательно и подробно рассмотрены при выборе вращающегося анода вместо стационарной трубки.
2. Производственные недостатки.
а. Немедленные неисправности: Как бы ни старался производитель, не все лампы сделаны одинаково. Небольшие различия существуют, но производитель должен убедиться, что такие различия не влияют на работу трубки.
я. Отсеивание по тесту: После того, как труба изготовлена и обработана, она подвергается ряду испытаний для завершения окончательной обработки, но, что более важно, чтобы убедиться, что она соответствует стандартам производительности, установленным для этой модели.Трубка проходит проверку качества. Основным испытанием является стабильность высокого напряжения. Каждая лампа подвергается воздействию высокого напряжения, обычно на 15% или более превышающего ее максимальное рабочее напряжение, при работе с максимальной мощностью. Такая обработка удаляет газы и частицы, а также приправляет нетронутые поверхности для работы под высоким напряжением. Затем трубка подвергается эксплуатационному испытанию
для проверки ее стабильности при высоком напряжении, так что при работе при максимальном номинальном напряжении в течение заданного периода времени дуги не возникают или возникают в ограниченном количестве.
Катодная эмиссия, вольтамперные характеристики нити накала, размер фокусного пятна, тепловая нагрузка и другие соответствующие характеристики тестируются и измеряются. Для трубок с вращающимся анодом проводятся дополнительные испытания, такие как шум, вибрация, время выбега и другие, чтобы оценить рабочие характеристики ротора и подшипников. Трубы, не соответствующие спецификациям, отбраковываются/утилизируются, но анализируются для выявления причин нарушения, чтобы можно было внести коррективы в производственный процесс.
ii. Период выдержки: Иногда, несмотря на удовлетворительные испытания, лампы, выдерживаемые в течение 2-4 недель, не работают удовлетворительно, особенно в условиях высокого напряжения.Изменение производительности обычно вызвано крошечными утечками вакуума, которые не могут быть обнаружены обычными средствами, но выделяют газы, которые не обеспечивают хороших характеристик (высокое напряжение). Нормальное термоциклирование может привести к утечкам или открытию пустот и проникновению вредных газов. Такое снижение производительности происходит редко, но имеет место, а в некоторых случаях более длительное время простоя или нормальное время оборота запасов выявляют дополнительные сбои.
iii. Неподходящие материалы: Современные материалы, такие как: бескислородная медь, кобальтовые сплавы с регулируемым расширением, вольфрам с добавлением рения, жаропрочные сплавы, вакуумный графит, высокотемпературные припои, а также керамика и техническое стекло, значительно улучшили характеристики трубок.Из-за таких улучшений необходим высокий уровень обеспечения качества, чтобы гарантировать качество этих и других материалов. Тестирование и сертификаты соответствия часто используются для обеспечения качества поставщика. Несмотря на эти усилия, материалы, не соответствующие стандартам, могут проникнуть в производственный процесс. Хорошим примером является бескислородный медный стержень, который при экструзии может содержать стрингеры, вызывающие утечки вакуума. Необходимо использовать более дорогие кованые пластины и стержни. Обычно эти недостатки выявляются внутри компании и не замечаются заказчиком.
iv. Технологические сбои: Новые процессы, такие как вакуумный переплав металлов, турбомолекулярные вакуумные насосы, высокотемпературная вакуумная обработка, высокотемпературный обжиг водородом, вакуумная пайка и электрополировка, также обеспечивают улучшенные характеристики рентгеновской трубки. Автоматизация помогла обеспечить более стабильный продукт. Однако, если эти используемые процессы/оборудование выходят из строя или управление теряется, хорошо отлаженный процесс может легко дать сбой, что может привести к браку или браку труб.
б.Скрытые сбои: Скрытые или непредсказуемые сбои, возникающие во времени, часто непредвиденны и иногда не могут быть связаны с известной причиной.
я. Оптимизация процесса: Многие процессы, используемые для труб и их частей, развивались в течение многих лет и на основе практического опыта. Если нет очень четких доказательств обратного, производители не хотят менять процесс, опасаясь неизвестных последствий. Например, анод с графитовым диском, припаянным к его задней части для вращающейся анодной трубки, должен быть обезгажен перед сборкой.Если температура слишком высока, может произойти повреждение припоя и его интерфейса
, но если слишком низкая и адекватная дегазация может быть нарушена. В стационарном аноде высокая температура на аноде способствует выделению газа, но насколько высокой и как долго может оставаться температура до того, как произойдет (скрытое) повреждение? В эту категорию попадают многие процессы, такие как дегазация, вакуумная откачка и приправа. Слишком консервативный подход может привести к неудовлетворительной работе, а слишком агрессивный — к повреждению. Трудно найти подходящий компромисс, и как только процесс работает, часто лучше оставить его в покое.
ii. Маргинальные или плохо понятые процессы: Некоторые сбои вызваны эффектами, которые малоизвестны или для которых неизвестны побочные эффекты различных процессов. Почему диэлектрическое масло иногда темнеет и содержит посторонние включения, а трубка работает исправно? В других системах наблюдается искрение, но трубка, охлаждающее масло и окружающая среда выглядят и тестируются нормально. Смазка шарикоподшипников во вращающемся аноде — хороший пример неполного понимания процесса.Смазка, обычно свинцовая или серебряная, наносится методом химического или физического испарения, имеет пятнистый характер и не столь однородна. Требуется некоторая приработка трубок для более равномерного распределения смазки. Средняя толщина также важна; слишком тонкий и срок службы подшипника снижается, слишком толстый и трубы работают неровно и часто заедают. Исторические результаты и пробы и ошибки определяют процесс, но физические причины не совсем понятны.
iii. Анализ сбоев/неотслеживаемые причины: Анализ сбоев может выявить причину сбоя и является важным процессом, используемым производителями для обнаружения скрытых и непосредственных сбоев.Иногда проблема очевидна, в других случаях для выявления первопричины требуется много анализов и тестов. Любой человек, занимающийся анализом отказов, знает, что, несмотря на большие усилия, во многих случаях невозможно найти первопричину. Либо сбой уничтожает окончательные доказательства, либо разборка во время анализа удаляет доказательства. Иногда не хватает доказательств, чтобы сделать определенный вывод. Лучшее, что часто можно сделать, — это экстраполировать на причину.
Распространенной неисправностью относительно долгоживущих ламп является искрение.Наиболее распространенными доказанными причинами дугового разряда являются: высокое давление остаточного газа, разрушение изоляторов и паразитная эмиссия электронов (обычно называемая «автоэмиссией»). Первые две темы были затронуты ранее. Для автоэлектронной эмиссии микроскопические частицы (как металлические проводники, так и неметаллические изоляторы) могут вызывать небольшие электрические токи, обычно в диапазоне наноампер, которые испускаются просто из-за очень сильных электрических полей. Эти мельчайшие токи, исходящие в виде пучка, могут при определенных условиях заряжать изоляторы, которые затем разряжаются, вызывая дуговой разряд.Зарядка также может вызвать выход из строя изолятора в виде прокола, который представляет собой крошечное отверстие в изоляторе, вызывающее потерю вакуума. С другой стороны, частицы могут отрываться, ускоряться, приобретать высокую энергию в электрическом поле и взрываться при ударе, вызывая дугу. Удар часто вызывает вторичное повреждение в виде осколков, что, в свою очередь, вызывает усиление полевой эмиссии.
Производители подчеркивают чистоту, стремясь уменьшить количество твердых частиц, обычно собирая трубки в чистых помещениях и используя различные процессы, такие как ультразвуковая очистка или электрополировка для удаления частиц.Несмотря на такие усилия, мельчайшие частицы все еще попадают в трубку. Чтобы уменьшить количество твердых частиц, каждая новая трубка «приправляется» или подвергается воздействию высокого напряжения примерно до 25% от ее максимального рабочего напряжения, чтобы сжечь или удалить частицы в неактивные части трубки. Приправа к трубке в холодных условиях мало что дает, поэтому трубка должна эксплуатироваться по определенному температурному протоколу, которых может быть много. Схемы для такой приправы включают значительные эксперименты и оценки, но все же не всегда идеальны.Чрезвычайно трудно получить трубу, которая никогда не образует дуги.
3. Несоответствие приложений.
Хорошим примером изначального несоответствия трубок является ранняя маммография, когда для получения маммограмм использовалась стандартная диагностическая трубка. В результате диагноз был довольно плохим, и часто приводили к радиационным ожогам. За несколько лет стало известно, что излучение молибдена при напряжении около 30 кВ с очень маленькими фокусными пятнами, сконструированными в виде трубок, которые особенно соответствуют анатомии, очень эффективно для ранней диагностики рака молочной железы.Новые пробирки были разработаны с учетом этих требований, и сегодня они являются золотым стандартом для раннего выявления заболеваний.
а. Низкое излучение в кВ/высокое значение в мА: Обычное несоответствие может возникнуть, когда трубка, предназначенная для использования с высоким напряжением, используется при более низком напряжении (обычно половина или меньше максимального), нить накала должна работать при более высоком токе, чтобы преодолеть ограниченное излучение. . В конкретной лампе с вращающимся анодом, работающей при 125 кВ и 300 мА, при снижении до 50 кВ и 300 мА нить накала должна работать с мощностью на 16 % больше, чтобы преодолеть более низкое напряжение трубки.Поскольку нить накала охлаждается излучением с температурой, пропорциональной 4-й степени (T⁴), увеличение на 16% означает увеличение температуры нити только на 3,8%. Хотя это кажется небольшим, вольфрам испаряется примерно в три раза быстрее при более высокой мощности, что в этом случае приводит к сокращению срока службы нити накала в три раза. Если трубка работает при более высоком токе трубки (в данном случае> 300 мА) при напряжении 50 кВ, ток накала необходимо увеличить, что приведет к еще большему сокращению срока службы накала. Часто такое несоответствие приходится принимать, потому что производитель не хочет производить специальную конструкцию, особенно если продажи будут ограничены.
б. Температура/Жизнь: Основное правило для рентгеновских трубок состоит в том, что температура – враг. Чем больше приложенная мощность, тем короче срок службы трубки. Однако без достаточной мощности может не хватить интенсивности рентгеновского излучения для выполнения работы. Испарение нити накала, вызывающее нежелательные металлические отложения, в конечном итоге приведет к возникновению дуги в изоляторе. Эксплуатация мишени при более высокой температуре не только в конечном итоге вызовет испарение мишени, но и качество излучения с точки зрения распределения энергии и интенсивности начнет меняться и будет снижаться из-за микротрещин.
Во время работы трубки присутствуют термомеханические напряжения. Уплотнения между стеклом и металлом испытывают напряжение при нагревании, и чем больше тепла, тем выше температура, что приводит к увеличению напряжения. В конце концов мельчайшие частицы могут отколоться или стекло образует мелкие трещины, которые увеличиваются при прохождении излучения. Механическая усталость всегда присутствует из-за термического циклирования, и чем больше циклов, тем быстрее развивается усталость. Более высокая мощность вызывает более высокую температуру, которая ускоряет утомление. Эксплуатация рентгеновской трубки при минимальной полезной мощности продлевает срок службы.
4. Неправильный привод от источника питания.
В источнике рентгеновского излучения источник питания обеспечивает всю необходимую мощность для работы трубки, включая нить накала и часто питание ротора для трубки с вращающимся анодом. Кроме того, поставка содержит логику и блокировки, используемые системой. Таким образом, источник питания является составной частью источника рентгеновского излучения, и оба они действуют согласованно.
а. Полное сопротивление источника питания: Ом. Одной из наиболее важных характеристик источника питания является его полное сопротивление.Для ламп со стационарным анодом, которые работают на мощности в несколько сотен ватт, импеданс может быть высоким, что означает, что они содержат большое сопротивление, поэтому в случае дугового разряда повреждение трубки и чувствительной электроники сводится к минимуму. Дуга обычно гаснет, когда напряжение, поддерживающее дугу, уменьшается. Когда ток в дуге проходит через высоковольтное сопротивление, напряжение на сопротивлении увеличивается, тем самым уменьшая напряжение на трубке и других частях высоковольтной схемы. Если давление газа в трубке становится настолько высоким, что поддерживает дугу, импеданс также защищает источник питания и связанную с ним электронику.Ничего нельзя сделать с трубкой, чтобы улучшить ее работу, когда уровень газа в ней становится слишком высоким.
К сожалению, высокий импеданс также означает, что если дуговой разряд начинается из-за излучения частиц, полевого излучения или испарения света, часто не остается достаточно энергии для устранения или испарения причины, и дуговой разряд может продолжаться.
Лампа с вращающимся анодом работает в условиях гораздо более высокой мощности, иногда превышающей 100 киловатт или почти в 1000 раз превышающей мощность стационарного анода. Здесь источник не может иметь высокий импеданс, иначе он не будет поддерживать требуемую мощность.В этих случаях часто необходимо ограничить накопленную энергию обычно менее чем 10 джоулями. Кабели высокого напряжения и конденсаторы умножителя напряжения будут накапливать такую энергию, что может привести к повреждению трубки в дуге. Десять джоулей — это не фиксированное значение, а только ориентир, поскольку некоторые лампы удовлетворительно работают с большим запасом энергии, а другие не будут работать с меньшим количеством энергии. Емкость становится более проблематичной при более высоких напряжениях, поскольку энергия пропорциональна квадрату напряжения.
б.Нить постоянного/переменного тока: Обычно нити накала работают в условиях переменного напряжения/тока. Есть три основные причины. Во-первых, исторически было проще контролировать и подавать переменный ток (AC), а во-вторых, при использовании постоянного тока (DC) наблюдается тенденция к росту зерен, что приводит к формированию хрупких хрупких нитей с течением времени и их более быстрому распаду. Наконец, менее важно то, что в условиях постоянного тока на одном конце нити будет существовать небольшой фиксированный потенциал, равный рабочему потенциалу нити, который может искажать фокальное пятно, слегка смещая его по отношению к фокусирующему колпачку.Эффект более выражен при меньших фокусных пятнах и условиях высокой эмиссии. При переменном токе такое смещение чередуется между обоими концами нити и поэтому размывается.
Для нитей накала, нагреваемых постоянным током, возникают явления надрезов, особенно для тонких нитей. В этом случае некоторые ионы вольфрама образуются из испарившихся атомов вольфрама и притягиваются к отрицательному концу нити накала и осаждаются, образуя серию «надрезов». Эти надрезы тоньше, чем другие участки нити, и приводят к появлению горячих точек с сопутствующим большим испарением и, в конечном итоге, выгоранием.Сообщается о сокращении срока службы нити накала от двух до десяти раз при работе с постоянным током, а не с переменным током. Современные источники питания, в которых используются нити накала постоянного тока, получают его от высокочастотного преобразователя. В этих условиях в сигнале накала присутствуют высокочастотные пульсации с малой амплитудой порядка 10 с кГц, что сводит к минимуму эффект режекции.
г. Высокая частота: Металлостеклянные уплотнения в трубке изготовлены из ковара или аналогичного сплава, состоящего из железа, никеля и кобальта, которые обладают сильными магнитными свойствами.Уплотнения включают вводы, по которым протекает ток накала. При высокой частоте магнитные материалы подвержены магнитному гистерезису, вихревым токам и скин-эффекту, которые поглощают энергию электрического тока. Это явление требует, чтобы источник питания обеспечивал большую мощность, чем по сравнению с немагнитными материалами, чтобы преодолеть потери. Чем выше частота, тем больше потери. Потеря мощности приведет к нагреву проходных отверстий, а влияние механических напряжений на уплотнения недостаточно изучено.В настоящее время используются частоты до 40 кГц. Для катода и анода используются высокочастотные источники высокого напряжения, но они выпрямляются до постоянного тока.
д. Скорость вращения/тормоз: Для вращающихся трубок срок службы подшипников, а также испарение нити накаливания являются важным фактором, определяющим срок службы трубки. Когда требуется экспонирование, мощность статора подается так, что анод трубки достигает скорости вращения (оборотов в минуту). Такая минимальная скорость указывается производителем, и синхронизированная скорость исторически имеет четыре значения в зависимости от частоты коммерческой мощности; для 60 Герц максимальная скорость 3600 об/мин или при тройной скорости 10800, для мощности 50 Герц 3000 об/мин и 9000 при тройной скорости.Эти скорости обычно называют «низкой» или «высокой» скоростью для нормальной единичной частоты или тройной частоты соответственно. На практике ротор никогда не может полностью достичь этой скорости, потому что трение в подшипниках и неполная магнитная связь между статором и ротором снижают скорость. На самом деле система статор/ротор имеет КПД всего около 10% по сравнению с коммерческими двигателями, эффективность которых обычно превышает 90%. По этим причинам производители обычно указывают минимальную скорость, как правило, 3000, 9500, 2800 и 8500 или аналогичные значения, чтобы учесть проскальзывание от синхронной скорости.
Когда инициируется экспозиция, мощность статора подается в течение определенного времени для достижения минимальной скорости и зависит от: момента инерции анода (очень приблизительно пропорционально теплоемкости), напряжения, подаваемого на статор и частота приложенного напряжения (высокая или низкая скорость). Обычно это время «разгона» ротора составляет от 1,5 до 6 или более секунд. После применения форсирования статор переходит в «рабочий» режим, в котором постоянно подается пониженное напряжение (обычно от 80 до 100 вольт) для поддержания минимальной скорости.Часто установщику остается отрегулировать время разгона для достижения минимальной скорости, и это может стать практической проблемой для реализации. Тахометры с язычком и синхронные стробоскопы могут измерять скорость вращения. Необходимо учитывать тепловое состояние анода; горячий анод будет двигаться с меньшей скоростью, чем холодный анод, из-за повышенного трения и уменьшения магнитной связи. После воздействия скорость вращения ротора снижается или тормозится путем подачи напряжения только на одну обмотку статора.
Торможение выполняется для быстрого уменьшения вращения подшипника, но не менее важно быстро пройти через резонанс ротора. Все роторы имеют собственную резонансную частоту, и в этот момент ротор/анод может заметно вибрировать. Чтобы быстро преодолеть эту резонансную скорость и свести к минимуму любые повреждения, подается тормозное напряжение. Типичные резонансные частоты составляют от 4000 до 5000 об/мин (65-80 Гц), особенно важно тормозить после работы на высокой скорости. Принимая во внимание обычно более короткое усиление нити накала и более длительное время вращения ротора, можно увидеть, что последовательность событий рентгеновской системы такова: запрос на экспозицию, применение форсирования статора, применение форсирования нити, подача импульса высокого напряжения экспонирования, перевод нити накала на холостой ход, разрыв скорость анода.Современные блоки питания имеют настройку на все эти временные последовательности.
эл. Усиление нити накала: Когда рентгеновская трубка не излучает рентгеновские лучи (т. е. к катоду и аноду не приложено высокое напряжение), ее нить накала находится в так называемом режиме ожидания (или предварительного нагрева). Через него проходит ток, но он находится ниже точки излучения, где будет проходить ток трубки. Всякий раз, когда требуется экспонирование, ток накала «повышается» до заданного значения, которое позволяет протекать определенному току трубки, когда на трубку подается высокое напряжение.Когда рентгеновские лучи больше не нужны, высокое напряжение отключается, и ток накала возвращается к его холостому току.
Типичное время разгона нити накала составляет примерно от половины до одной секунды. Этот метод особенно важен для трубки с вращающимся анодом, где ток в трубке высок, а срок службы нити накала сохраняется за счет ее работы только тогда, когда необходимы рентгеновские лучи. Ток холостого хода накала выбран таким образом, чтобы испарение с нити накала составляло очень небольшую часть тока накала, необходимого для высокой эмиссии, что минимизирует испарение на холостом ходу.Если ток трубки достаточно низкий, некоторые лампы с неподвижным анодом вообще не будут усилены, и нить накала может быть выведена из состояния отсутствия питания. Системы с непрерывным импульсом могут представлять проблему с испарением, потому что, если частота повторения импульсов высока, между импульсами недостаточно времени, чтобы усилить нить накала до того, как придет следующий импульс. Обычно в таких случаях нить накала запускается в режиме форсирования до тех пор, пока все пульсации не прекратятся. Современные источники питания полностью адаптируются ко всем этим временным последовательностям.
ф. Логические схемы: Как видно из приведенного выше описания, логическая последовательность и их производительность являются критически важными. Добавьте другие системы, такие как блокировки, последовательность изображений, требования к рентгенографическим объектам и другие системные требования, и можно увидеть, что функционирование и надежность логических систем
необходимы, если ничего не пойдет не так. Иногда искрение в трубке может вызывать переходные процессы, инициированные скачками тока или прерыванием высокого напряжения, что приводит к сбоям в логической схеме.Современные источники питания имеют изолированные логические схемы, которые защищают чувствительную электронику от переходных процессов при нормальной работе и искрения.
г. Предел нити/Настройки предварительного нагрева нити: Одной из наиболее важных настроек является регулировка предела нити. Уставка предела нити накала ограничивает максимальный выходной ток источника питания накала для защиты нити накала рентгеновской трубки. Эта настройка не позволит генератору рентгеновского излучения превысить это значение ни при каких обстоятельствах.Он должен быть установлен на уровне или ниже спецификации производителя рентгеновской трубки.
При установке предела накала ниже максимальной спецификации рентгеновской трубки предел накала должен быть на 10-15 % выше, чем ток накала, необходимый для достижения максимального запрограммированного тока эмиссии (мА) при самом низком используемом значении кВ. Помните, что максимальные значения нити накала отличаются от НЕОБХОДИМЫХ значений для эмиссии. Установка на 10-15% сверх необходимых значений тока эмиссии обеспечивает запас, а также лучшие характеристики отклика поезда.
Всегда держите предельный уровень нити накала на уровне рекомендованного производителями максимального тока накала или ниже его. Ток ожидания нити накала (называемый предварительным подогревом нити накала в некоторых линейках продуктов) — это ток холостого хода, подаваемый на нить накала рентгеновской трубки в условиях ожидания рентгеновского излучения (HV OFF/XRay отключен).
Уставка предварительного нагрева нити накала обычно составляет от 1 до 2 ампер, но следует проконсультироваться с производителем рентгеновской трубки. Хорошей рекомендацией для рассмотрения является то, что максимальный уровень предварительного нагрева нити должен быть ограничен 50% спецификации предела нити.Совершенно нормально установить ток в режиме ожидания равным нулю, если не требуется быстрое линейное изменение тока эмиссии.
5. Рекомендации по корпусу трубки (корпусу).
Рентгеновская трубка должна быть заключена в подходящий контейнер, чтобы: предотвратить распространение рентгеновских лучей во всех направлениях, обеспечить подходящую изоляцию высокого напряжения и обеспечить охлаждение трубки/системы. Для автономной рентгеновской трубки контейнер называется корпусом, узлом трубки или источником излучения, а для системы, в которой источник питания объединен с трубкой, он обычно называется Monoblock® (зарегистрированная торговая марка Spellman). .
а. Утечка диэлектрика (масла): Диэлектрик, обычно трансформаторное масло с ингибитором окисления, должен обеспечивать изоляцию высокого напряжения, чтобы предотвратить искрение на всех поверхностях, находящихся под высоким напряжением. Если возникает утечка масла, это обычно означает, что воздух также просачивается в корпус, и если воздух попадает в область поля высокого напряжения, это вызывает искрение. Если искрение продолжится, углерод от распада масла начнет покрывать поверхности, и их нельзя будет восстановить. Масляные уплотнения часто изготавливаются в виде колец круглого сечения, а резина из бута-нитрильного каучука подходит для ингибированного масла.Некоторые материалы, такие как неопрен, не подходят, так как они набухают в этом масле. Обычные рекомендации производителей уплотнительных колец для степени сжатия составляют около 5-10% и не применяются. На самом деле используется сжатие около 25%, поскольку уплотнительные кольца при типичных высоких температурах корпуса деформируются и теряют упругость и могут начать просачиваться.
Используемое масло содержит абсорбированные газы, которые необходимо удалить вакуумной обработкой, чтобы предотвратить их попадание в корпус. Такая обработка увеличивает диэлектрическую прочность, измеряемую в единицах вольт на расстояние.Типичные значения превышают 30 киловольт на дюйм. Важным фактором являются материалы, используемые внутри корпуса, обычно пластиковые изоляторы. Они могут выщелачивать пластификаторы или другие химические вещества, которые могут растворяться в масле и ухудшать диэлектрическую прочность. Температура усиливает выщелачивание. Необходимо проявлять осторожность при тестировании материалов, используемых в корпусе, даже для новых производственных партий этих деталей.
б. Перегрев: Перегрев может вызвать искрение не только в трубке, но и в корпусе.Многие системы имеют теплообменник, в котором используется вентилятор, а иногда и насос для циркуляции масла. Крайне важно, чтобы эти обменники содержались в чистоте. Пыль является основным виновником и будет препятствовать как естественной конвекции воздуха, так и принудительной (вентиляторной) конвекции воздуха. В результате корпус перегревается, следует установить график обслуживания.
г. Температура окружающей среды: Необходимо соблюдать температуру окружающей среды, указанную производителем. Типичная температура окружающей среды составляет 25 или 30 градусов по Цельсию, а в условиях высокой нагрузки температура корпуса может подняться до 75 или 80 градусов по Цельсию, что является типичным пределом.Таким образом, повышение температуры может составлять около 50 градусов, и если температура окружающей среды выше указанной, это повышение температуры будет добавлено к температуре окружающей среды, что приведет к перегреву. Корпуса, часто используемые при испытаниях и для предотвращения утечки излучения, могут привести к тому, что температура окружающей среды превысит рекомендуемые значения. Также нередко можно встретить пластиковые или тканевые чехлы, используемые для «защиты» оборудования, но они только мешают конвекционному потоку воздуха и могут легко привести к перегреву.
д.Корпус Отношение: Трубчатый корпус с теплообменником или без него может нагреваться в верхней части, а не в нижней. Это связано с тем, что диэлектрическое охлаждающее масло образует сильные конвекционные потоки, которые поднимаются вверх, как дым от сигареты, и переносят тепло к верхней части корпуса. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить наилучшее положение корпуса для эксплуатации. Часто термопары могут направлять и выявлять горячие области, но для точных измерений необходим хороший тепловой контакт.
эл.Соединения кабеля/заземления: Хотя это кажется очевидным, хорошие электрические соединения необходимы. Заземление, а также другие соединения, такие как статор, датчики перегрева и высоковольтные кабели, одинаково важны. Обязательны плотные резьбовые соединения без перетертых контактов и проводов. Соединения высоковольтных кабелей особенно важны, потому что, если воздух включен, он будет ионизироваться в областях с сильным полем и вызывать дуговой разряд через изоляцию. Обычно для герметизации воздуха и обеспечения тесного контакта между поверхностями используется высоковольтная смазка.После того, как дуговые следы начинаются, они не подлежат ремонту. Рекомендации производителя по установке кабельных изоляторов должны строго соблюдаться.
ф. Диэлектрическое расширение: При нагревании масло расширяется в объеме, как и все материалы. Рентгеновская система должна иметь достаточный объем для такого расширения. На холодной стороне при отгрузке системы необходимо предусмотреть объем для усадки. Это расширение и сжатие обычно достигается с помощью гибкой диафрагмы, позволяющей изменять весь объем.Хороший дизайн позволит фактор безопасности; чем больше, тем лучше. Коэффициенты безопасности не менее 25% — это хорошо. Не менее важно установить нейтральную точку в экскурсиях по расширению; диафрагма должна быть установлена так, чтобы допускать расширение и сжатие, которые будут встречаться. Этими факторами являются требования к конструкции и производству.
г. Номинальная дисциплина: Одним из наиболее важных соображений при работе с лампой является работа в рамках опубликованных рейтингов. Знакомство и планирование являются ключевыми вопросами.Необходимо контролировать высокое напряжение и мощность накала, чтобы не допустить превышения долговременного перегрева, кратковременное превышение мощности на аноде может привести к расплавлению фокального пятна. Осторожность и осторожность – вот правила. Не менее важна работа незагруженного теплообменника. То же самое относится и к трубкам с вращающимся анодом, но, кроме того, должно быть обеспечено правильное вращение. Индивидуальные рейтинги экспозиции важны для того, чтобы убедиться, что правильное фокусное пятно находится под напряжением, используется правильная диаграмма скоростей, наблюдается высокое напряжение и выбрана правильная длительность импульса.Графики должны быть согласованы с эмиссией накала и вольт-амперными характеристиками, чтобы предотвратить перегрузку. Очень легко перепутать диаграммы и неправильно их истолковать. Всегда проверяйте дважды.
Нажмите здесь, чтобы загрузить PDF-файл.
Рассчитать вероятность оползней для населенных пунктов, пострадавших от лесных пожаров
Лесные пожары делают ландшафт более восприимчивым к оползни, когда ливневые дожди проходят через территорию после лесных пожаров. Послепожарные селевые потоки особенно опасны, т. они могут возникать без предупреждения, могут вызывать большие импульсивные нагрузки на объекты на своем пути, и может лишить растительность, заблокировать дренаж пути, повреждают строения и создают опасность для жизни людей.Часто есть недостаточно времени между пожаром и ливнем, чтобы реализовать эффективный план реагирования на чрезвычайные ситуации. Однако различные послепожарные модели оценки селевой опасности были разработаны для оценить вероятность и объем селевых потоков, которые могут возникнуть в ответ на бурю.
Для получения более подробной информации об оценке опасностей просмотрите следующие ресурсы:
На этом уроке вы будете использовать ArcGIS Enterprise, настроенный для распределенного анализа растров с помощью ArcGIS Image Server.На этих шагах вы создадите карту риска оползней, чтобы запуск более продвинутого моделирования оценки опасности селей. При создании карты риска оползней используются цепочки растровых функций для составить карту степени ожогов, топографическую карту склонов и земной покров индексную карту, которые объединяются в одну цепочку обработки для выполнения ArcGIS Enterprise.
Использование распределенного анализа растров для этого рабочий процесс демонстрирует, как можно развернуть ArcGIS Enterprise в быстрый способ обработки больших объемов данных в широко затронутой площадь.Однако при использовании инструментов анализа растров и изображений в ArcGIS Pro аналогичный рабочий процесс может быть разработан и развернут без преимущества распределенного растрового анализа. Кроме того, функциональность в ArcGIS Image for ArcGIS Online также можно использовать для достижения похожие результаты
Посмотреть окончательный результат
Требования
ArcGIS Pro (получить бесплатную пробную версию)
ArcGIS Enterprise 10.6.1 или выше: базовое развертывание с выделенным ArcGIS Image Server
Лицензия ArcGIS Image Server для ArcGIS Enterprise
Raster Analytics в ArcGIS Enterprise позволяет использовать распределенную обработку для выполнения анализа больших коллекций изображений и растров намного быстрее, чем это возможно в автономной среде ГИС.Вы также можете быстро запускать сложные многошаговые растровые модели с возможностью публикации и совместного использования непосредственно на вашем предприятии. Для выполнения растрового анализа вы должны сначала настроить ArcGIS Image Server в ArcGIS Enterprise.
Для этого урока необходимы следующие условия:
Для анализа растров требуются две лицензии: ArcGIS Enterprise и ArcGIS Image Server.
У вас должно быть настроено как минимум базовое развертывание ArcGIS Enterprise. Справку по настройке базового развертывания см. в разделе Начало работы с ArcGIS Enterprise Builder.
У вас также должен быть хотя бы один дополнительный сайт сервера. Если у вас нет установленного и настроенного дополнительного сайта сервера, см. Установка ArcGIS Server на одном компьютере.
Дополнительный сервер должен иметь лицензию ArcGIS Image Server. Для получения справки см. Авторизация ArcGIS Server.
Если у вас есть права администратора, вы можете начать урок прямо сейчас. Если вы этого не сделаете, вам потребуется, чтобы ваш администратор ArcGIS Enterprise завершил этот первый урок по настройке сервера изображений, прежде чем вы сможете приступить ко второму уроку.
Регистрация новых хранилищ данных
Службы анализа растров сохраняют результаты растра в зарегистрированном хранилище данных. Это может быть как файлообменник, так и облачное хранилище. Для этого урока вы зарегистрируете два новых хранилища данных на своем корпоративном компьютере: хранилище растровых данных и общий файловый ресурс, содержащий данные вашего урока.
Создайте две папки на диске C вашей корпоративной машины с именами RasterStore и LandslideData.
Далее вы убедитесь, что эти папки являются общими и доступными со всех серверов.
ArcGIS Server Manager должен обмениваться данными по протоколу HTTPS при регистрации или редактировании пути для хранилища растровых данных.
Загрузите файл LandslideData.zip и разархивируйте его в папку LandslideData.
31 файл должен быть расположен в корне папки C:\LandslideDatafolder, а не внутри подпапки.
На диске C щелкните правой кнопкой мыши LandslideData и выберите «Свойства».
В окне свойств LandslideData перейдите на вкладку «Общий доступ» и нажмите «Расширенный общий доступ».
Установите флажок Общий доступ к этой папке и нажмите Применить.
Щелкните Разрешения.
Если вы настроили сервер изображений, чтобы позволить другому члену вашей организации завершить урок, вам необходимо убедиться, что у этого человека есть полный доступ к папке.
В списке групп или пользователей выберите учетную запись пользователя. При необходимости нажмите «Добавить», чтобы найти и добавить учетную запись перед ее выбором.
В поле Разрешения установите флажок Разрешить полный доступ.
Нажмите «Применить», а затем «ОК» в окне «Разрешения».
Нажмите «Применить», а затем «ОК» в окне «Расширенный общий доступ».
Запишите сетевой путь к папке — он понадобится вам при регистрации данных.
Закройте окно свойств LandslideData
Повторите шаги с 3 по 11 для папки RasterStore.
Если вы не можете получить доступ к папкам с нескольких сайтов серверов, вы можете скопировать папки, содержащие данные урока, на каждый из серверов и убедиться, что файловый ресурс, содержащий данные, зарегистрирован на каждом сайте сервера с помощью ArcGIS Server Manager.Обратитесь к документации для получения дополнительной информации о регистрации папок на нескольких сайтах ArcGIS Server.
Откройте ArcGIS Server Manager для корпоративного компьютера, используя учетную запись администратора.
Если вы видите всплывающее окно с предложением открыть ArcGIS Server Manager в приложении или интернет-браузере, вы должны сначала установить веб-браузер по умолчанию для своего компьютера.
Совет:
Чтобы оптимизировать производительность анализа растров в вашей системе, вы должны установить количество экземпляров на вашем сервере в соответствии с вашим количеством ядер.В ArcGIS Server Manager щелкните Сервисы > Система > Обработка растров. В разделе Объединение установите Максимальное количество экземпляров на машину равным количеству доступных вам ядер.
Перейдите на вкладку Сайт и выберите Хранилища данных.
Щелкните раскрывающийся список «Регистрация» и выберите «Хранилище растровых изображений».
В поле Имя введите RasterStore.
Это уникальное имя зарегистрированного местоположения, которое должно содержать только буквенно-цифровые символы и символы подчеркивания.
При необходимости в поле Тип выберите Общий доступ к файлам.
Рядом с Путь укажите полный путь к общей папке растровых файлов, используя шаблон \\gisserver\RasterStore. Замените gisserver на имя сервера на вашем корпоративном компьютере.
Избегайте использования локальных путей, таких как C:\RasterStore, если только одна и та же папка данных не будет доступна на всех узлах сайта сервера.
Нажмите «Создать».
Зарегистрированное хранилище растровых данных появится в списке зарегистрированных хранилищ данных.Далее вы зарегистрируете место, где будут сохранены данные вашего урока.
В меню «Регистрация» выберите «Папка».
В поле Имя введите LandslideData.
В поле Путь к папке издателя введите имя папки \LandslideData, а в поле Имя хоста папки издателя введите имя сервера, указанное при создании сетевого пути.
Вместе Путь к папке издателя и Имя хоста папки издателя составляют полный путь к папке, поэтому обязательно добавляйте косые черты в соответствующих местах.Как и раньше, избегайте использования локального пути C:\LandslideData, если только одна и та же папка данных не будет доступна на всех узлах сайта сервера.
Нажмите «Создать».
Папка с данными вашего урока теперь появляется в списке зарегистрированных хранилищ данных.
Получите доступ к своему компьютеру с ArcGIS Image Server и повторите шаги с 1 по 12, чтобы создать две папки на диске C и поделиться ими.
При необходимости выполните тот же процесс, чтобы открыть общий доступ к папке arcgisserver для всех.
Откройте ArcGIS Server Manager для вашего компьютера с сервером изображений, используя учетную запись администратора.
Совет:
Ваш ArcGIS Server Manager можно найти по адресу https://gisserver.domain.com:6443/arcgis/manager.
Если на этом сайте настроен ArcGIS Web Adaptor (IIS), ArcGIS Server Manager можно найти здесь: http://gisserver.domain.com/webadaptorname/manager
Имя webadaptor чаще всего определяется как сервер.
Повторите шаги с 15 по 24, заменив gisserver на имя вашего сервера изображений.
Объединение сайта ArcGIS Server
Сайт ArcGIS Server, лицензированный как сервер изображений, должен быть объединен с вашим порталом для завершения настройки.Как только объединенный сервер станет видимым на вашем портале, вы сможете назначить его хост-сервером, сервером анализа растров или сервером другого типа.
Войдите на портал ArcGIS Enterprise как администратор.
Ваш портал ArcGIS Enterprise можно найти по адресу https://webadaptorhost.domain.com/webadaptorname/home
Щелкните вкладку Организация. Перейдите на вкладку «Настройки» и нажмите «Серверы».
В разделе «Объединенные серверы» нажмите «Добавить сервер».
В поле URL-адрес службы введите URL-адрес вашего сервера изображений.
Это должен быть полный доменный URL-адрес, используемый внешними пользователями при доступе к сайту ArcGIS Server .
Совет:
Если на сайте настроен ArcGIS Web Adaptor (IIS), вместо этого URL-адрес будет иметь формат http://gisserver.domain.com/webadaptorname
В противном случае URL-адрес будет иметь формат https:// gisserver.domain.com:6443/arcgis (это тот же URL-адрес, который используется на следующем шаге)
В поле URL-адрес администрирования введите URL-адрес, используемый для доступа к ArcGIS Server при выполнении административных операций во внутренней сети.
Этот URL-адрес будет иметь формат https://gisserver.domain.com:6443/arcgis.
В поле Имя пользователя введите имя основной учетной записи администратора сайта, которая использовалась для первоначального входа в ArcGIS Server Manager и администрирования ArcGIS Server.
В поле «Пароль» введите пароль учетной записи основного администратора сайта.
Щелкните Добавить.
Сервер объединен или связан с вашей учетной записью ArcGIS Enterprise. Далее вы установите его в качестве сервера анализа растров.
Прокрутите вниз до Анализа растров и выберите сайт сервера, который вы только что объединили.
Появляется уведомление о том, что члены вашей организации теперь имеют доступ к возможностям анализа растров.
Нажмите OK и нажмите Сохранить в верхней части страницы.
Настройки объединенного сервера сохранены.
Назначение разрешений для выполнения анализа растров
Для выполнения анализа растров вам потребуется создать или отредактировать роль, чтобы получить соответствующие разрешения.Если оставшуюся часть урока будете выполнять вы или кто-то другой с ролью администратора или издателя, у них уже есть правильные разрешения, и они могут перейти к следующему уроку.
Если вы настроили сервер изображений, чтобы позволить другому члену вашей организации завершить урок, вам необходимо выполнить следующие шаги, чтобы отредактировать или создать пользовательскую роль для выполнения анализа растров.
При необходимости войдите на веб-сайт портала в качестве администратора и щелкните Организация.Нажмите «Настройки» и выберите «Роли участников».
Щелкните Создать роль.
В качестве имени роли введите Raster Analyst. В поле Описание введите Роль с правами на выполнение растрового анализа.
под роль привилегии, под целыми привилегиями, убедитесь, что следующие коробки проверяются как минимум:
0
категории

0
View
контент
Создание, обновление и удаление
Публикация размещенных векторных слоев
Публикация серверных слоев
Поделиться
Поделиться с группами
Поделиться с порталом
Поделиться с общественностью
Содержание и анализ
Анализ стандартных объектов
Анализ растров
Щелкните Сохранить роль.
Далее вы назначите роль аналитика растров своему коллеге, чтобы они могут завершить урок.
В верхней части страницы щелкните Участники.
Найдите члена организации, который должен завершить урок. В разделе Роль щелкните меню и выберите Raster Analyst.
На этом уроке вы рассмотрели необходимые условия для выполнения анализа растров с помощью ArcGIS Image Server. Затем вы добавили новое хранилище данных, интегрировали сайт ArcGIS Server и назначили соответствующие разрешения для выполнения растрового анализа.Теперь вы готовы использовать свой сервер изображений для анализа растров. На следующем уроке вы будете использовать распределенный растровый анализ для создания карты риска оползней.
Анализ изображений и растровых данных предоставляет ценную информацию для поддержки принятия решений в приложениях управления чрезвычайными ситуациями. Изображения могут представлять текущую информацию о местоположении и ситуации и могут анализироваться вместе с историческими изображениями и другой пространственной информацией.Обработка растровых данных является сложной задачей, поскольку файлы часто бывают большими и сложными. Кроме того, данные из разных организаций и источников часто необходимо совместно использовать и анализировать в рамках всего предприятия. Эластичный дизайн распределенной обработки Raster Analytics обеспечивает эффективный способ обмена и быстрой обработки больших объемов растровых данных для поддержки приложений, критичных ко времени. После оптимизации вы можете сохранить свою цепочку обработки, поделиться ею с членами вашей организации и выполнить обработку в развертывании Raster Analytics из ArcGIS Pro или Map Viewer портала ArcGIS Enterprise.
На предыдущем уроке вы настроили ArcGIS Enterprise для распределенного анализа растров. На этом уроке вы создадите карту риска оползней и суммируете риск оползней на основе суббассейна водораздела. Вы будете использовать цепочки растровых функций для получения карты степени выгорания, топографической карты склонов и индексной карты земного покрова. Эти отдельные цепочки обработки будут объединены в одну цепочку обработки для распределенной обработки в вашей системе Raster Analytics, а затем будут суммированы по подбассейну водораздела.
Установка активного портала
Сначала вам необходимо установить активный портал в ArcGIS Pro. На этом шаге настройки ваша информация о лицензировании передается в ArcGIS Pro и позволяет вам публиковать обработанные данные на онлайн-портале ArcGIS Enterprise.
Откройте ArcGIS Pro. Внизу окна нажмите Настройки.
Щелкните Порталы.
Если вашего портала нет в списке, щелкните Добавить портал и введите URL-адрес портала.
После обнаружения портал добавляется в список.
Щелкните портал правой кнопкой мыши и выберите Войти.
Введите имя пользователя и пароль и нажмите Войти.
Щелкните портал правой кнопкой мыши и выберите Установить как активный портал.
Рядом с вашим подключением к порталу появится зеленая галочка.
Щелкните стрелку назад.
В нижней части окна щелкните Выбрать другой шаблон проекта.
Нажмите кнопку Обзор и перейдите в папку C:\LandslideData на вашем корпоративном компьютере. Выберите файл шаблона проекта Landslide_Risk_Project.аптекс.
Совет:
Если вы не можете найти этот файл, вы можете скачать и разархивировать LandslideData.zip на локальный компьютер.
В окне Создать новый проект назовите свой проект Landslide_Risk и сохраните его на свой компьютер.
Откроется новый проект, отображающий карту с центром в Санта-Розе, Калифорния.
Создание карты степени горения
Различные виды растительности и материалов горят с разной интенсивностью в зависимости от их состава, плотности, топографии, ветра, влажности почвы и других факторов.Как правило, более высокая интенсивность горения приводит к более высокой водоотталкивающей способности и более высокому потенциалу эрозии в результате дождя. Интенсивность или тяжесть ожогов можно определить по мультиспектральным изображениям в ближнем инфракрасном и коротковолновом инфракрасном диапазонах, таким как изображения Landsat 8. Используя растровые функции в цепочке обработки, вы вычислите коэффициент выгорания, используя изображения Landsat 8, полученные до и после лесных пожаров.
На ленте щелкните вкладку Вставка. В группе «Проект» нажмите «Добавить папку».
Перейдите к папке LandslideData на диске C вашего корпоративного компьютера. Выберите его и нажмите ОК.
На ленте щелкните вкладку Вид. В группе Windows выберите Панель каталога.
Панель Каталог добавляется в окно карты.
На панели Каталог на вкладке Проект разверните Папки и разверните папку LandslideData. Выберите все наборы данных внутри, кроме Basins.tif, и перетащите их на карту.
Данные теперь перечислены на панели Содержание.Сюда входят снимки Landsat 8 до (Before_L8.tif) и после (After_L8.tif) лесных пожаров в октябре 2017 года в округах Напа и Сонома. Есть также два слоя, которые вы будете использовать в качестве входных данных для своей карты рисков. DEM_10m.tif — это цифровая модель рельефа, показывающая рельеф местности. Sonoma_NLCD2011.tif является частью Национального набора данных о ландшафтном покрове, который показывает землепользование и преобладающий тип растительности.
Чтобы сравнить следы ожогов на снимках до и после, выберите мультиспектральные каналы для отображения.Полосы по умолчанию, которые отображаются красным, зеленым и синим цветом, отображаются при развертывании слоя.
При необходимости на панели Содержание перетащите слой After_L8.tif в начало списка, а Before_L8.tif чуть ниже него. Отключите другие слои.
При необходимости разверните файл After_L8.tif. Щелкните правой кнопкой мыши красную фишку и выберите srband5.
Для зеленого выберите srband4, а для синего — srband3.
Эта комбинация каналов отображает каналы изображений Landsat 8 в цветном инфракрасном режиме.Растительность показана ярко-красным цветом. Объекты без растительности, такие как голые и городские районы, отображаются различными оттенками серого и синего.
Примените те же полосы к слою Before_L8.tif.
Щелкните файл After_L8.tif на панели содержимого, чтобы выбрать его.
На ленте щелкните вкладку Внешний вид. В группе Эффекты щелкните инструмент Смахивание.
Указатель отображается в виде стрелки на карте.
Щелкните, проводя пальцем по изображению на карте, чтобы сравнить изображения до и после лесного пожара.
Вы можете провести по экрану вертикально или горизонтально. Обратите внимание, что многие области, выделенные красным цветом в файле Before_L8.tif, в файле After_L8.tif отображаются серым или зеленым цветом, что указывает на потерю растительности.
На ленте щелкните вкладку Карта. В группе Навигация щелкните Исследовать.
Указатель возвращается в нормальное состояние. Теперь, когда все данные нанесены на карту, вы будете использовать растровые функции для расчета серьезности выгорания.
На ленте щелкните вкладку Изображения. В группе Анализ выберите Растровые функции.
Появится панель Растровые функции.На вкладке Системы находятся категории функций, доступных для растрового анализа. Для этого урока для вас были созданы два шаблона растровых функций, или RFT. Эти шаблоны пользовательских функций перечислены на вкладке «Проект».
На панели Функции растра щелкните вкладку Проект.
Щелкните правой кнопкой мыши Landcover_Remap, выберите Переместить в, затем укажите Пользовательский и щелкните Пользовательский1.
При перемещении этих функций в пользовательскую категорию любые изменения, которые вы вносите в RFT, будут сохранены, если они сохранены в Редакторе растровых функций.Изменения, сделанные в категории «Проект», будут потеряны, если проект не будет сохранен.
На вкладке «Проект» щелкните правой кнопкой мыши Burn_Severity и переместите его на «Пользовательский1», как вы делали это на предыдущем шаге.
На вкладке «Пользовательский» щелкните правой кнопкой мыши шаблон Burn_Severity и выберите «Редактировать».
Откроется Редактор растровых функций и отобразится цепочка обработки.
Функции Band Arithmetic превращают пиксели изображений в выражения. Изображение после пожара вычитается из изображения до пожара и обрабатывается функцией переназначения.Функция переназначения классифицирует значения пикселей по пяти категориям серьезности выгорания. Контрольные точки для пяти значений степени тяжести ожогов получены в результате исследования по оценке ландшафта (Key and Benson, 2005). Функция «Таблица атрибутов» в цепочке обработки назначает цветовую шкалу карте серьезности ожогов. Это уже создано для вас.
Закройте RFT Burn Severity на панели редактора функций.
На панели Функции растра щелкните шаблон Burn_Severity.
Открыты входные данные Burn Severity для шаблона.
Для изображения до пожара выберите Before_L8.tif, а для изображения после пожара выберите After_L8.tif.
Убедитесь, что для параметра «Тип выходного слоя» задано значение «Растровый слой», и нажмите «Создать новый слой».
Обработка может занять несколько минут. По завершении результирующий слой отображается на карте и отображается на панели Содержание. Растровые функции носят временный характер — расчеты выполняются на лету или в реальном времени при перемещении по карте и не сохраняются автоматически.Тяжесть ожогов вычисляется динамически на дисплее по мере перемещения по слою.
Сохраните проект.
Создание индексной карты уклона
Карта уклона является важным слоем при определении устойчивости склона. Крутизна склона определяется по цифровой модели рельефа (ЦМР). Чем круче склон, тем более он склонен к скольжению, особенно во время дождя после выгорания стабилизирующей растительности. Далее вы создадите и сохраните шаблон растровой функции для расчета процентного уклона и используете его для создания индекса крутизны.
На ленте щелкните вкладку Изображения. В группе Анализ щелкните Редактор функций.
Панель редактора функций закрепляется внизу окна карты.
На панели Функции растра щелкните вкладку Система. В нижней части списка разверните группу Surface.
Перетащите функцию Slope на панель Raster Editor.
На панели Редактор функций на ленте щелкните Добавить растровую переменную.
На панель редактора функций добавлено зеленое поле с заголовком «Растр».
Убедитесь, что зеленое поле «Растр» расположено слева от функционального поля «Наклон».
Поле Растр определяет входной набор данных для функции Уклон.
Наведите указатель мыши на растр, чтобы увидеть отображаемый параметр Out. Нажмите Out и перетащите, чтобы соединить растровый элемент (параметр Out) с функцией Slope (параметр DEM).
Щелкните правой кнопкой мыши Растр и выберите Переименовать. Тип Входная ЦМР.
Дважды щелкните функцию «Наклон». В окне инструмента «Свойства уклона» нажмите «Переменные», а для ЦМР установите флажок «Общедоступный».
Параметр IsPublic позволяет изменить входные данные в более позднем процессе инструмента.
Нажмите OK.
На панели Функции растра на вкладке Система найдите Remap.
Перетащите функцию Remap на панель редактора функций справа от функции Slope.
Соедините уклон с переотображением, настроив вывод уклона на ввод растра для переотображения.
Далее вы зададите входные данные для переназначения, чтобы индексировать наклоны (в градусах) по пяти категориям.
Дважды щелкните функцию «Переназначить». В окне инструмента «Свойства переназначения» щелкните первое поле в столбце «Минимум» и введите 0. В поле «Максимум» введите 5, а в поле «Вывод» введите 1.
Установите категории со следующими значениями:
+ 9053 0
Минимальная Максимальная Выход 91 844
1
0
5
1
2
5
15
2
3
15
25
3
4
25
35
4
5
35
91
5
Нажмите OK.
Щелкните правой кнопкой мыши функцию «Переназначить» и выберите «Переименовать». Введите Переназначение уклона.
Это поможет различать функции позже в этом уроке, когда вы связываете вместе несколько цепочек растровых функций.
На панели Растровые функции найдите функцию Таблица атрибутов и перетащите ее на панель Редактор функций.
Соедините выход функции переназначения со входом функции таблицы атрибутов.
Дважды щелкните функцию «Таблица атрибутов» и установите для параметра «Тип таблицы» значение «Вручную».
Под пустой таблицей нажмите кнопку цветовой схемы.
В поле Максимальное значение выберите 5. Нажмите OK.
Добавлено пять строк со значениями от 1 до 5 и цветовой схемой по умолчанию от зеленого к красному.
Нажмите имя класса для каждой строки и назначьте их следующим образом:
Название класса
1
1
0
2
Low
3
Умеренный
4
Крутой
5
Очень Крутая
Нажмите В ПОРЯДКЕ.
Совет:
Используйте кнопку Auto Layout, когда все входы и инструменты подключены, чтобы автоматически расположить элементы на диаграмме.
В Редакторе функций щелкните Сохранить как.
В окне «Сохранить как» в поле «Имя» введите Slope_Index. .
Убедитесь, что для параметра «Категория» установлено значение «Пользовательский», а для параметра «Подкатегория» установлено значение «Пользовательский1».
В поле Описание введите Шаблон растровой функции для получения уклона из входной ЦМР.
Нажмите OK.
: Ваш шаблон функции растра (RFT) теперь отображается в категории «Пользовательская» на панели «Функции растра».
Подсказка:
Возможно, вам придется очистить строку поиска, прежде чем вы сможете увидеть новый RFT.
На панели Функции растра дважды щелкните Slope_Index.
Появятся свойства SlopeIndex.
Для ввода ЦМР выберите DEM_10m.tif.
Убедитесь, что для параметра «Тип выходного слоя» задано значение «Растровый слой», и нажмите «Создать новый слой».
Когда обработка завершена, слой отображается на карте и отображается на панели Содержание с именем Slope_Index_DEM_10m.тиф.
Закройте Slope_Index RFT на панели редактора функций и сохраните проект.
Создание карты риска оползня
Расчет риска оползня объединяет две переменные, с которыми вы только что работали: степень ожога и уклон. Он также включает земной покров, который также важен для снижения риска оползней. Растительность стабилизирует склоны с помощью корневой системы. Лесной пожар может уничтожить большую часть стабилизирующей растительности. Однако некоторые виды растительности, особенно виды чапараля, приспособились к лесным пожарам, а корневая система находится особенно глубоко под землей, чтобы пережить пожары.Почвенный покров уже проиндексирован для вас в пять категорий в зависимости от его стабилизирующего воздействия на склоны. Чтобы выполнить расчет риска оползня, вы добавите три шаблона растровых функций в цепочку, которая будет обрабатываться в вашем развертывании Raster Analytics.
На ленте на вкладке Изображения щелкните Редактор функций.
Появится пустая панель редактора функций.
На панели Растровые функции выберите и перетащите каждый RFT (Burn_Severity, Slope_Index, Landcover_Remap) на панель Редактор функций.
По умолчанию RFT объединяются в кластер. Вы захотите разделить их, чтобы вам было легче подключить их выходы.
Нажмите и удерживайте, чтобы нарисовать рамку вокруг функций Slope_Index, а затем перетащите всю группу так, чтобы она оказалась ниже RFT Burn_Severity.
Совет:
Зеленые поля ввода отмечают начало каждой цепочки функций.
Перетащите Landcover_Remap ниже Slope_Index.
На панели Функции растра щелкните вкладку Система и найдите функцию Взвешенное наложение.Перетащите его на панель редактора функций справа от трех других RFT.
Подключите три выхода таблицы атрибутов к входному параметру функции взвешенного наложения.
Щелкните правой кнопкой мыши каждую функцию таблицы атрибутов и переименуйте ее в соответствии с соответствующей функцией переназначения.
Их новые имена должны быть «Таблица атрибутов степени выгорания», «Таблица атрибутов склона» и «Таблица атрибутов ландшафтного покрова».
Нажмите кнопку Auto Layout в верхней части панели редактора функций, чтобы реорганизовать цепочку обработки.
RFT расположены компактно.
Дважды щелкните функцию Взвешенное наложение.
Появится окно «Свойства взвешенного наложения». Внутри таблицы взвешенного наложения вы можете назначить веса в процентах для каждого растра.
В таблице взвешенного наложения в ячейке рядом с <Таблица атрибутов серьезности записи.Выходной растр> введите 30. Для слоя индекса наклона назначьте 55 процентов. Для слоя Landcover Index назначьте 15 процентов.
Весовые коэффициенты опасностей приблизительно основаны на исследованиях, проведенных Геологической службой США для Национальной программы предотвращения оползней.
Таблица переназначения по-прежнему пуста. Поскольку все слои имеют одинаковое количество индексных категорий, вы сопоставите каждую из них один к одному.
В таблице взвешенного наложения щелкните слой Burn Severity. В таблице переназначения в разделе «Значение» щелкните NODATA, чтобы изменить поле атрибута, и введите 1. В разделе «Масштаб» щелкните NODATA и выберите 1.
В таблице переназначения дважды щелкните пустую строку в нижней части столбца «Значение». и тип 2.Для Масштаба выберите 2.
Повторите предыдущий шаг, чтобы добавить строки с 1 по 5 для всех трех растров в Таблице взвешенного наложения.
Нажмите OK.
На панели «Растровые функции» на вкладке «Система» найдите функцию «Таблица атрибутов» и перетащите ее на панель «Редактор функций» справа от функции «Взвешенное наложение».
Соедините выход функции взвешенного наложения со входом функции таблицы атрибутов.
Дважды щелкните новую функцию таблицы атрибутов.В окне «Свойства таблицы атрибутов» в поле «Тип таблицы» выберите «Вручную».
Под пустой таблицей нажмите кнопку цветовой шкалы и установите Максимальное значение на 5. Нажмите OK.
Добавлено пять строк со значениями от 1 до 5 и цветовой схемой по умолчанию от зеленого к красному.
Нажмите имя класса для каждой строки и назначить их:
1
1
0
Low
0
2
0
2
Средний
3
High
4
Очень высокая
5
Экстремальный
Нажмите кнопку OK, чтобы закройте окно свойств.
В Редакторе функций щелкните Сохранить как.
В окне «Сохранить как» в поле «Имя» введите Landslide_Risk.
Убедитесь, что для параметра «Категория» установлено значение «Пользовательский», а для параметра «Подкатегория» установлено значение «Пользовательский1».
В поле Описание введите Шаблон растровой функции, чтобы рассчитать риск оползня на основе степени пожара, уклона и растительного покрова.
Нажмите OK и закройте Landslide_Risk RFT на панели редактора функций.
На панели Функции растра очистите поиск и щелкните вкладку Пользовательские.
Щелкните Оползень_Риск.
Открыты свойства Landslide_Risk. Заполните следующие поля ввода:
В поле «Тип выходного слоя» выберите «Слой веб-изображения» и нажмите «Далее».
Если вы не видите возможность установить для вывода слой веб-изображения, поговорите со своим администратором, чтобы убедиться, что Raster Analysis сервер настроен и работает.
Появится диалоговое окно «Создание вывода», в котором можно установить свойства создаваемого веб-слоя.
Назовите веб-слой Landslide_Risk и добавьте свои инициалы.
Каждый элемент контента в вашей организации должен иметь уникальное имя, и ваши инициалы будут отличать ваш слой от любого другого, кто мог создать подобный слой.
Для описания введите Этот веб-слой показывает оценку риска оползней для округа Сонома, Калифорния.
Для тегов введите округ Сонома, оползень, риск и лесной пожар. Нажмите Enter после ввода каждого тега.
В параметрах общего доступа выберите свою организацию.
Этот слой будет виден другим пользователям вашей организации.
Нажмите «Выполнить».
Цепочка обработки отправляется в ваше развертывание портала для распределенной обработки. Появится сообщение, информирующее вас о том, что процесс был отправлен на ваш портал.
Щелкните уведомление Raster Functions, чтобы просмотреть статус выполнения RFT.Либо на панели Каталог щелкните вкладку История, а затем щелкните вкладку Растровые функции.
После успешного завершения процесса рядом с растровой функцией появится зеленая галочка. Вы будете использовать этот слой позже во вьюере веб-карт.
Суммируйте риск оползней по суббассейну
Хотя карта риска оползней полезна, вы хотите пойти дальше, чтобы разбить области, которые наиболее подвержены риску. Поскольку на риск оползня влияет характер осадков и характеристики водосбора, вы суммируете риск по бассейнам водосборов в пределах изучаемой территории.Сначала вы опубликуете на портале слой водораздела. Затем вы будете использовать карту риска оползней, созданную на предыдущих этапах, для обобщения риска по суббассейну.
На панели Каталог щелкните вкладку Проект и перейдите к подключению к папке LandslideData.
Щелкните правой кнопкой мыши Basins.tif и выберите Опубликовать как веб-слой.
Появится панель Опубликовать как веб-слой.
В поле Имя введите Бассейны, а затем ваши инициалы.
Каждый элемент контента в вашей организации должен иметь уникальное имя, и ваши инициалы будут отличать ваш слой от любого другого, кто мог создать подобный слой.
Для сводки введите суббассейны водоразделов в округах Напа и Сонома, Калифорния.
Для тегов введите водораздел, бассейн и Калифорния.
Убедитесь, что выбран параметр Ссылаться на зарегистрированные данные.
В поле «Сервер и папка» выберите Hosting Server.
Для общего доступа выберите свою организацию.
Щелкните Анализировать и, если предупреждений нет, щелкните Опубликовать.
Если отображается предупреждение о том, что источник данных не зарегистрирован, данные будут скопированы на сервер вместо ссылки.Чтобы избежать этого, вы можете щелкнуть предупреждение правой кнопкой мыши и выбрать «Зарегистрировать источник данных на сервере» перед публикацией.
При успешном выполнении веб-слоя на панели отображается сообщение об успешном выполнении.
В нижней части панели щелкните ссылку Управление веб-слоем.
Ваш портал открывается на странице сведений об элементе вашего нового слоя.
Нажмите кнопку обзора рядом со слоем Basins и выберите Открыть в Map Viewer.
На ленте нажмите «Добавить» и выберите «Поиск слоев».
Убедитесь, что поиск настроен на Мои ресурсы.
Найдите слой риска оползней и нажмите кнопку «Добавить».
Ваш слой риска оползней загружается на карту.
Если слой риска оползня не загружается на карту, может потребоваться подождать несколько минут для завершения обработки и повторить попытку.
На ленте щелкните Анализ и выберите Анализ растра.
В разделе Суммировать данные щелкните инструмент Суммировать растр в пределах.
В инструменте Суммировать растр в пределах заполните следующие свойства:
Выберите слой области для суммирования растрового слоя в пределах определенных границ: Бассейны
Выберите поле для определения границ: Значение
Выберите растровый слой для суммирования: Landslide_Risk
Выберите статистику для расчета: Среднее
Игнорировать отсутствующие значения при расчете: Верно (отмечено)
Имя слоя результата: Риск по бассейну, за которым следуют ваши инициалы.
Использовать текущий экстент карты: False (флажок не установлен)
Щелкните Запустить анализ.
Когда анализ завершится, у вас будет карта, показывающая средний риск для каждого водораздела.
Темно-зеленые области имеют более высокие значения риска оползней. Это основано на риске, который вы рассчитали с помощью шаблона растровой функции с взвешенными входными параметрами уклона, степени выгорания и земного покрова.
Нажмите «Сохранить», нажмите «Сохранить как» и назовите карту «Риск оползня в бассейне (Сонома и Напа)», а затем ваши инициалы.
Для тегов введите оползень, риск и лесной пожар.
Для сводки введите Риск оползней по бассейнам в округах Сонома и Напа, исходя из степени ожогов лесными пожарами, уклона и растительного покрова.
Щелкните Сохранить карту.
На этом уроке вы использовали цепочки растровых функций для создания карты степени выгорания, индексной карты склонов и индексной карты земного покрова. Затем вы создали карту рисков оползней, опубликовали слои на портале и суммировали риски по суббассейну водосбора. На следующем уроке вы сообщите о своих выводах другим членам вашей организации по реагированию на чрезвычайные ситуации, создав веб-приложение для обмена результатами на вашем предприятии.
На предыдущем уроке вы создали карту рисков, на которой суммированы риски оползней по суббассейну. Теперь вы хотите сообщить о результатах остальной части вашей организации, в том числе персоналу службы экстренной помощи в офисе и на местах. Чтобы поделиться своими результатами, вы создадите веб-приложение на своем портале ArcGIS Enterprise.
Создать веб-приложение
Ваши результаты опубликованы на вашем портале. Далее вы измените символы на выходе, чтобы упростить интерпретацию результатов. Затем вы будете использовать Web AppBuilder for ArcGIS, чтобы легко делиться своими выводами со всей необходимой связанной информацией.
При необходимости откройте портал ArcGIS Enterprise в веб-браузере и войдите в систему. Перейдите к карте, созданной на предыдущем уроке.
Вы хотите поделиться только своим слоем Risk per Basin, поэтому затем удалите с карты два других слоя.
Удалите слои Basins и Landslide Risk, наведя указатель мыши на каждый слой и нажав кнопку Дополнительные параметры, а затем щелкнув Удалить.
Во вьюере карт наведите указатель мыши на слой Risk per Basin и нажмите кнопку Дополнительные параметры.
В меню «Дополнительные параметры» выберите «Отображение изображения».
Для параметра «Тип растяжения» выберите «Отсечение в процентах». Для Цветовой шкалы выберите шкалу от зеленого к красному с именем Номер условия. Все остальные настройки оставьте по умолчанию.
Нажмите «Применить», затем нажмите «Закрыть».
Теперь у вас есть визуальная классификация риска оползня от низкого (зеленый) до высокого (красный) риска.
Нажмите кнопку «Дополнительные параметры» и выберите «Прозрачность». Установите ползунок на 50 процентов.
Поскольку уклон и рельеф местности играют такую важную роль в риске оползня, вы хотите выбрать базовую карту, которая показывает и то, и другое.
На ленте щелкните Базовая карта и выберите Рельеф с метками.
На ленте щелкните Сохранить и еще раз щелкните Сохранить.
Щелкните Общий доступ.
Вы можете опубликовать свою карту для всего ArcGIS Enterprise или для определенной группы.
В разделе Выберите, кто может просматривать эту карту, установите флажок для своей организации и нажмите Обновить общий доступ.
Щелкните Создать веб-приложение и перейдите на вкладку Web AppBuilder.
Сохраните заголовок и теги такими же, как на карте, а для параметра «Сводка» вставьте Расчет риска оползней по бассейнам для округов Сонома и Напа на основе уклона, растительного покрова и степени выгорания.
Нажмите «Начать».
На вкладке «Тема» выберите «Тема вкладки» и измените цвет стиля на синий.
Перейдите на вкладку Карта. На панели просмотра карт уменьшите масштаб, чтобы увидеть всю карту риска оползней.
В разделе Установить начальный экстент щелкните Использовать текущий вид карты.
Это гарантирует, что пользователи увидят всю карту рисков при открытии приложения.
Перейдите на вкладку Виджет. Наведите указатель мыши на виджет «Полноэкранный режим» и нажмите кнопку «Показать этот виджет».
Этот виджет позволяет вашему зрителю сделать карту полноэкранной.Таким же образом вы можете добавить или удалить любые другие виджеты.
В нижней части панели щелкните Сохранить и щелкните Запустить.
Приложение открывается в новой вкладке.
Ваше веб-приложение теперь доступно для использования членами вашей организации на любом устройстве. Вы найдете веб-приложение на своем портале ArcGIS Enterprise в разделе Ресурсы, во всех группах, которым вы предоставили общий доступ, и в своей галерее. Вы также можете поделиться ссылкой напрямую с кем-либо в вашей организации или поделиться приложением со всеми, изменив, кому доступен этот элемент.
На этом уроке вы создали веб-приложение для обмена картой риска оползней. Поделившись веб-приложением с ArcGIS Enterprise, вы обеспечили всем членам вашей организации, как в офисе, так и в полевых условиях, доступ к этой жизненно важной информации для принятия решений. Гибкость совместного использования в ArcGIS Enterprise и настройка с помощью Web AppBuilder позволяют вам делиться нужной информацией с теми, с кем вы хотите.
Ваше развертывание ArcGIS Enterprise теперь настроено для выполнения растрового анализа.Используя возможности распределенной обработки растрового анализа, вы создали карту риска оползней и суммировали результаты по суббассейну водосбора. Закономерности, выявленные на вашей карте, помогли вам определить, какие суббассейны подвергались наибольшему риску оползней после возникновения лесных пожаров. Наконец, вы создали веб-приложение и поделились им, чтобы сообщить о своих выводах всей организации и помочь другим сотрудникам аварийно-спасательных служб получить ценную информацию о риске оползней.
Отправьте нам отзыв
Пожалуйста, пришлите нам свой отзыв об этом уроке.Расскажите нам, что вам понравилось, а что нет. Если что-то в уроке не сработало, сообщите нам, что это было и где в уроке вы столкнулись с этим (название раздела и номер шага). Используйте эту форму, чтобы отправить нам отзыв.
.