izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-12-30-34izmertech-1674Research ArticleИЗМЕРЕНИЯ МАССЫРазработка и апробация методики непрерывного измерения массы образцов диэлектрических материалов при микроволновой термообработкеDevelopment and testing of a method for continuous mass measurement dielectric materials samples during microwave heat treatmenthttps://orcid.org/0000-0002-8666-1170МатвеевЕ. В.MatveevE. V.

Егор Владимирович Матвеев

 Москва

Egor V. Matveev

Moscow

maegor@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5158-1963БерестовВ. В.BerestovV. V.

 Валентин Викторович Берестов

 Москва

Valentin V. Berestov

Moscow

vberestov97@gmail.comНаучно-исследовательский институт перспективных материалов и технологийРоссияResearch Institute of Advanced Materials and TechnologyRussian Federation2022300520230123034Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1674

Рассмотрены методы непрерывного измерения массы образцов диэлектрических материалов в процессе микроволновой термообработки на частоте 2,45 ГГц. Показано, что непосредственное измерение массы образца электронными весами в ходе микроволновой обработки затруднено, поскольку внутри рабочей камеры невозможно использовать проводящие материалы из-за наводок в них токов, искажающих результаты измерений. Предложена методика непрерывного измерения массы образцов диэлектрических материалов при микроволновой термообработке. Методика основана на методах термогравиметрического анализа. Разработана оригинальная измерительная система, реализующая указанную методику и состоящая из отдельных модулей: находящегося внутри рабочей камеры подвеса с образцом и расположенных снаружи камеры тензодатчика, спектрометра и систем обработки и преобразования сигнала. Применение модульной компоновки позволяет максимально удалить измерительную систему от источника электромагнитного излучения, избежать искажения сигнала и изолировать измерительное оборудование от микроволнового воздействия. Разработанная методика непрерывного измерения массы образцов при микроволновой термообработке апробирована, и получены зависимости изменения массы, которые позволили выявить два характерных этапа карбонизации материала, различающихся скоростью изменения массы образца. Суммарная погрешность методики составляет менее 1 %, при этом основной вклад в погрешность вносит ошибка квантования при аналого-цифровом преобразовании. Предложенную методику можно применять при работе систем автоматизированного управления процессами микроволновой обработки материалов.

The paper considers methods of continuous measurement of dielectric material samples mass during microwave heat treatment at a frequency of 2.45 GHz. It is known that the direct measurement of the sample mass by electronic scales during microwave treatment is a complex problem. The main limiting factor is the difficulty of using conductive materials inside the working chamber due to the induction of currents in them, which distort the measurement results. The paper proposes a technique for continuously measuring the mass of dielectric material samples during microwave heat treatment. The technique is based on thermogravimetric analysis methods. We developed an original measuring system based on the theoretical technique. It consists of separate modules – a hanger with a sample (inside the working chamber) and a strain gauge, a spectrometer and signal processing and conversion systems (all outside the chamber). The use of a modular layout has a number of advantages. It allows the measuring system to be as far away as possible from the source of electromagnetic radiation. Therefore, it allows to avoid signal distortion and isolate the measuring equipment from microwave influence. The developed technique of continuous measurement of sample mass during microwave heat treatment was tested. The dependences of mass changes were obtained. These dependencies revealed two characteristic stages of material carbonization which differ in the rate of change in sample mass. The total error of the technique is less than 1 %. The quantization error makes the main contribution to the error in the analogto-digital conversion. The proposed technique can be used in automated control systems for microwave processing of materials.

измерения массыдиэлектрический материалмикроволновая термообработкатермогравиметрияспектральная пирометриятензодатчикхлопковый пухmass measurementsdielectric materialmicrowave heat treatmentthermogravimetryspectral pyrometrystrain gaugecotton linterисследования проведены вФГБНУ «Научно-исследовательский институт перспективныхматериалов и технологий» в рамках государственного задания 2022 г. по проекту FNER-2022-0002.the research was carried out at the Research Institute of Advanced Materials and Technology in the framework of the state task of 2022 under the project FNER-2022-0002.ReferencesГуськов Ю. А., Медведев А. А., Ратников Е. В. Термогравиметрия при микроволновом нагреве // Приборы и техника эксперимента. 1997. № 2. С. 156–158.Gus’kov Y. A., Medvedev A. A., Ratnikov E. V., Thermogravimetry in the process of microwave heating, Instruments and Experimental Techniques, 1997, no. 40, pp. 292–294. (In Russ.)Park es G. M. B., Williams H. M., Review of scientifi c instruments, 2005, vol. 76, no. 6, 065108. https://doi.org/10.1063/1.1921506Parkes G. M. B., Williams H. M., Review of scientifi c instruments, 2005, vol. 76, no. 6, 065108. https://doi.org/10.1063/1.1921506Williams H. M., Parkes G. M. B, Carbon, 2008, vol. 46, no. 8, pp. 1169–1172. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2008.04.011Williams H. M., Parkes G. M. B, Carbon, 2008, vol. 46, no. 8, pp. 1169–1172. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2008.04.011Song Z., Yang Y., Zhou L. et al., Waste Management & Research, 2017, vol. 35, no. 2, pp. 181–189. https://doi.org/10.1177/0734242X16662330Song Z., Yang Y., Zhou L. et al., Waste Management & Research, 2017, vol. 35, no. 2, pp. 181–189. https://doi.org/10.1177/0734242X16662330Fujii S., Yamamoto M., Haneishi N. et al., AIP Advances, 2021, vol. 11, no. 6, 065207. https://doi.org/10.1063/5.0050907Fujii S., Yamamoto M., Haneishi N. et al., AIP Advances, 2021, vol. 11, no. 6, 065207. https://doi.org/10.1063/5.0050907Kato M., Tsukagoshi K., Aimoto M. et al., ISIJ International, 2018, vol. 58, no. 10, pp. 1834–1839. https://doi.org/10.2355/ISIJINTERNATIONAL.ISIJINT-2018-192Kato M., Tsukagoshi K., Aimoto M. et al., ISIJ International, 2018, vol. 58, no. 10, pp. 1834–1839. https://doi.org/10.2355/ISIJINTERNATIONAL.ISIJINT-2018-192Лапшинов Б. А., Мамонтов А. В. Методы измерения температуры в технологиях сверхвысокочастотного нагрева // Измерительная техника. 2021. №. 6. С. 20–28. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-6-20-28Lapshinov B. A., Mamontov A. V., Measurement Techniques, 2021, vol. 64, no. 6, pp. 453–462. https://doi.org/10.1007/s11018-021-01954-wУэндландт У. Термические методы анализа. М.: Мир, 1978. 527 с.Wendlandt W. W., Thermal methods of analysis, Wiley, 1974, 505 p.Горюнов В. А. Дифференциально-термический и термогравиметрический анализ термодеструкции полимерных материалов // Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2015. Т. 1. С. 154–157.Gorjunov V. A., Chernikov A. I., Chujkov A. M., Differencial’notermicheskij i termogravimetricheskij analiz termodestrukcii polimernyh materialov, Problemy obespechenija bezopasnosti pri likvidacii posledstvij chrezvychajnyh situacij, 2015, no. 1, pp. 154– 157. (In Russ.)Gomes J., Batra J., Chopda V. R. et al, Waste Biorefi nery, Elsevier, 2018, pp. 727–749. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63992-9.00025-2Gomes J., Batra J., Chopda V. R. et al, Waste Biorefi nery, Elsevier, 2018, pp. 727–749. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63992-9.00025-2Zhao X., Wang M., Liu H. et al, Bioresource Technology, 2012, vol. 104, рр. 673–678. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.09.137Zhao X., Wang M., Liu H. et al, Bioresource Technology, 2012, vol. 104, pp. 673–678. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.09.137Xu S., Shen Y., Li Q. et al, Journal of the American Ceramic Society, 2021, vol. 104, no. 12, рр. 6345–6363. https://doi.org/10.1111/jace.17992Xu S., Shen Y., Li Q. et al, Journal of the American Ceramic Society, 2021, vol. 104, no. 12, рр. 6345–6363. https://doi.org/10.1111/jace.17992Михайлин Ю. А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике. СПб.: Научные основы и технологии, 2013. 720 с.Mikhaylin Y. A., Voloknistyye polimernyye kompozitsionnyye materialy v tekhnike [Fibrous polymer composite materials in engineering], St. Petersburg, Nauchnyye osnovy i tekhnologii Publ., 2013, 720 p. (In Russ.)Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: Учеб. пос. / Под ред. А. А. Берлина. 3-е изд., испр. СПб.: Профессия, 2011. 560 с.Kerber M. L., Polimernyye kompozitsionnyye materialy: struktura, svoystva, tekhnologiya [Polymer composite materials: structure, properties, technology], St. Petersburg, Professiya Publ, 2011, 560 p. (In Russ.)Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. В 2-х томах. М.: Высшая Школа, 1970. Т. 1. 440 с.Lebedev I. V., Tehnika i pribory SVCh [Microwave equipment and devices], in 2 volums, Moscow, Vysshaja Shkola Publ., 1970, vol. 1, 440 p. (In Russ.)Магунов А. Н. Спектральная пирометрия. М.: Физматлит, 2012. 248 с.Magunov A. N., Spektral’naja pirometrija [Spectral pyrometry], Moscow, Fizmatlit Publ., 2012, 248 p. (In Russ.)Дейнеко И. П. Химические превращения целлюлозы при пиролизе // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2004. №. 4. С. 96–112.Dejneko I. P., Himicheskie prevrashcheniya cellyulozy pri pirolize, Lesnoy zhurnal [Russian Forestry Journal], 2004, no. 4, pp. 96–112. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.