Summary
सील प्रक्रिया का अनुकूलन और धातु से ग्लास सील (एमटीजीएस) संरचना की वास्तविक समय की निगरानी को प्राप्त करने के लिए प्रमुख प्रक्रियाओं को विस्तार से वर्णित किया गया है। एम्बेडेड फाइबर Bragg ग्रेटिंग (FBG) सेंसर एक साथ पर्यावरण दबाव की निगरानी के साथ MTGS में तापमान और उच्च स्तर के अवशिष्ट तनाव की ऑनलाइन निगरानी को प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया है.
Abstract
अवशिष्ट तनाव एक ग्लास-टू-मेटल सील संरचना की जड़ी-ठिठकता और मजबूती को बनाए रखने के लिए एक आवश्यक कारक है। इस रिपोर्ट का उद्देश्य इन्सुलेशन और सील सामग्री की हर्मेटीसिटी को नष्ट किए बिना कांच से धातु सील संरचना में अवशिष्ट तनाव की विशेषता और मापने के लिए एक उपन्यास प्रोटोकॉल प्रदर्शित करना है। इस शोध में, एक femto-लेजर खुदा फाइबर Bragg grating सेंसर प्रयोग किया जाता है. ग्लास-टू-मेटल सील संरचना को मापा जाता है, जिसमें धातु के खोल, सील ग्लास और कोवर कंडक्टर होते हैं। माप सार्थक बनाने के लिए, धातु से ग्लास सील (MTGS) संरचना के विशिष्ट गर्मी उपचार सबसे अच्छा hermeticity के साथ मॉडल प्राप्त करने के लिए पता लगाया है. फिर, FBG सेंसर सील कांच के रास्ते में एम्बेडेड है और तापमान आरटी करने के लिए ठंडा के रूप में कांच के साथ अच्छी तरह से जुड़े हो जाता है। एफबीजी की ब्रैग तरंगदैर्ध्य कांच को सील करने में उत्पन्न अवशिष्ट तनाव के साथ बदलाव करता है। अवशिष्ट तनाव की गणना करने के लिए, Bragg तरंगदैर्ध्य पारी और तनाव के बीच संबंध लागू किया जाता है, और परिमित तत्व विधि भी परिणाम विश्वसनीय बनाने के लिए प्रयोग किया जाता है. सील कांच में अवशिष्ट तनाव के ऑनलाइन निगरानी प्रयोगों कठोर वातावरण में इस प्रोटोकॉल के कार्यों को व्यापक करने के लिए इस तरह के उच्च तापमान और उच्च दबाव के रूप में विभिन्न भार, पर किया जाता है।
Introduction
धातु से ग्लास सील एक परिष्कृत तकनीक है कि अंतःविषय ज्ञान को जोड़ती है (यानी, यांत्रिकी, सामग्री, और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग) और व्यापक रूप से एयरोस्पेस1में लागू किया जाता है , परमाणु ऊर्जा2, और जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों 3. यह इस तरह के उच्च तापमान और कार्बनिक सामग्री सील संरचनाओं के साथ तुलना में दबाव धीरज के रूप में अद्वितीय लाभ है। थर्मल विस्तार (सीटीई) के गुणांक के अंतर के अनुसार, MTGS दो प्रकार में विभाजित किया जा सकता है: मिलान सील और बेमेल सील4. मिलान मुहर के लिए के रूप में, धातु के सीटीई(धातु) और सील ग्लास (जेडग्लास) लगभग एक ही हैं सील सामग्री में थर्मल तनाव को कम करने के लिए. हालांकि, कठोर वातावरण (यानी, उच्च तापमान और उच्च दबाव) में सील संरचना की अच्छी hermeticity और यांत्रिक मजबूती रखने के लिए, बेमेल मुहर मिलान सील की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदर्शित करता है। धातु और जेडकांचके बीच अंतर के कारण, अवशिष्ट प्रतिबल एमटीजीएस संरचना की अनीलन प्रक्रिया के बाद सील कांच में उत्पन्न होता है। अवशिष्ट तनाव बहुत बड़ा है (यहां तक कि सीमा मान से अधिक), सील ग्लास छोटे दोष, जैसे दरारें प्रदर्शित करता है। यदि अवशिष्ट तनाव बहुत छोटा है, सील कांच अपनी जड़ी-ठिठकता खो देता है। एक परिणाम के रूप में, अवशिष्ट तनाव का मूल्य एक महत्वपूर्ण माप है.
एमटीजीएस संरचनाओं में अवशिष्ट तनाव के विश्लेषण ने दुनिया भर के कई समूहों के अनुसंधान हितों को जगाया है। अक्षीय और रेडियल प्रतिबल का संख्यात्मक मॉडल पतले खोल सिद्धांत5के आधार पर बनाया गया था। परिमित तत्व विधि को अनीलन प्रक्रिया के बाद एमटीजीएस संरचना के वैश्विक दबाव वितरण को प्राप्त करने के लिए लागू किया गया था, जो प्रयोगात्मक परिणामों6,7 केअनुरूप था। हालांकि, छोटे आकार और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को शामिल सीमाओं के कारण, कई उन्नत सेंसर इन परिस्थितियों के लिए उपयुक्त नहीं हैं. MTG की सीलिंग सामग्री में अवशिष्ट तनाव को मापने के लिए इंडेंटेशन दरार लंबाई विधि की सूचना दी गई थी; हालांकि, इस विधि विनाशकारी था और कांच में तनाव में परिवर्तन की वास्तविक समय ऑनलाइन निगरानी प्राप्त नहीं कर सका.
फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (FBG) सेंसर आकार में छोटे होते हैं ($10 डिग्री मी) और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप और कठोर वातावरण8के लिए प्रतिरोधी . इसके अलावा, फाइबर के घटकों सील कांच के उनलोगों के समान हैं (SiO 2), तो FBG सेंसर hermeticity और सील सामग्री के इन्सुलेशन पर कोई प्रभाव नहीं है. FBG सेंसर समग्र संरचनाओं में अवशिष्ट तनाव माप करने के लिए लागू किया गया है9,10,11, और परिणाम से पता चला कि यह अच्छा मापने सटीक और संकेत प्रतिक्रिया प्रदर्शित किया. एक ऑप्टिकल फाइबर12,13 पर फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग सरणियों द्वारा एक साथ तापमान और तनाव माप प्राप्त किया जा सकता है .
एक FBG सेंसर पर आधारित एक उपन्यास प्रोटोकॉल इस अध्ययन में प्रदर्शन किया है. एमटीजीएस संरचना की अच्छी जड़ी-हंगामा सुनिश्चित करने के लिए अधिकतम गर्मी के तापमान को समायोजित करके विशेष एमटीजीएस संरचना के लिए उपयुक्त तैयारी का पता लगाया गया है। FBG सेंसर गर्मी उपचार के बाद एक साथ FBG और कांच फ्यूज करने के लिए सील ग्लास के तैयार पथ में एम्बेडेड है. फिर, अवशिष्ट तनाव FBG के Bragg तरंगदैर्ध्य पारी द्वारा प्राप्त किया जा सकता है. FBG सेंसर के साथ MTGS संरचना उच्च तापमान और उच्च दबाव वातावरण के तहत रखा गया है लोड बदलने के तहत अवशिष्ट तनाव की ऑनलाइन निगरानी को प्राप्त करने के लिए. इस अध्ययन में, एक FBG सेंसर के साथ एक MTS संरचना का उत्पादन करने के लिए विस्तृत कदम रेखांकित कर रहे हैं. परिणाम इस उपन्यास प्रोटोकॉल की व्यवहार्यता दिखाने के लिए और एक MTGS संरचना की विफलता निदान के लिए नींव की स्थापना.
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Protocol
1. अच्छा hermeticity के साथ MTGS संरचना का उत्पादन
नोट: MTGS संरचना के लिए प्रक्रियाओं संयुक्त संरचना के घटकों के लिए तैयारी, गर्मी उपचार प्रक्रिया, और MTGS नमूने के प्रदर्शन के लिए परीक्षा शामिल हैं. पूरा MTGS संरचना एक इस्पात खोल, कोवर कंडक्टर, और सील कांच के होते हैं. चित्र 1 और तालिका 1 में क्रमश: दिखाए गए आरेख और आयाम देखें.
- दानेदार ग्लास पाउडर ($1.1 ग्राम) को मोल्ड में डालें, फिर मोल्ड को प्रेस मशीन पर रखें ताकि दानेदार कांच को संसाधित किया जा सके जैसा कि चित्र 2ए, बीमें दिखाया गया है।
- प्रेस मशीन पर स्विच (लाल बटन धक्का) कांच सिलेंडर में दानेदार कांच कॉम्पैक्ट के रूप में चित्र 2ग, डीमें दिखाया गया है।
नोट: कांच सिलेंडर का घनत्व नियंत्रण एमटीजीएस संरचना के प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि कांच सिलेंडर में बहुत सारे छिद्र एमटीजीएस संरचना की विफलता का कारण बनेंगे। - कांच के बेलन को हीटिंग भट्टी में सिनेदार रखने के लिए रखें (चित्र 3देखें)।
- सिंटरित कांच के बेलन, इस्पात के खोल और कोवर चालक का निर्माण एक विशेष ग्रेफाइट गैस्केट से किया जाता है, जैसा कि चित्र 4में दर्शाया गया है। गर्मी उपचार के लिए पंजा का उपयोग करते हुए हीटिंग भट्टी में इस मॉडल को क्वार्ट्ज पट पर रखें (चित्र 4देखें)। ऑप्टिकल फाइबर के तोड़ने से बचने के लिए ठंडा दर 0.5 डिग्री सेल्सियस/मिनट के रूप में रखें।
- हीटिंग फर्नेस से मॉडल को पुन: प्राप्त करने के बाद सील कांच की सतह स्थलाकृति की पहचान करने के लिए दृश्य निरीक्षण का उपयोग करें।
- एमटीजीएस मॉडल की हेमेटिटी की जांच करने के लिए उच्च दबाव वाली पाइपलाइन का उपयोग करें। कार्ड आस्तीन प्रकार संयुक्त द्वारा पाइप लाइन पर मॉडल स्थापित करें. धीरे-धीरे 1 MPa से 8 MPa करने के लिए दबाव बदलने के लिए, 24 ज के लिए प्रत्येक दबाव पकड़े.
- चित्र 5में दर्शाए अनुसार सील करने वाले कांच तथा धातु के भागों के बीच सूक्ष्म अंतराफलक की पहचान करने के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (SEM) का प्रयोग कीजिए। इंटरफ़ेस स्पष्ट रूप से निरीक्षण करने के लिए 15 केवी और 500x आवर्धन का प्रयोग करें।
नोट: मैक्रोग्राफी परीक्षा और SEM परिणामों से, मानक अधिकतम हीटिंग तापमान 450 डिग्री सेल्सियस के रूप में सेट किया गया है अच्छा hermeticity के साथ MTGS मॉडल प्राप्त करने के लिए. मानक हीटिंग उपचार निम्नानुसार परिभाषित किया गया है: (कमरे के तापमान) आरटी से तापमान में वृद्धि करने के लिए 450 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि 5 डिग्री सेल्सियस /मिनट की वृद्धि में, तो 0.5 डिग्री सेल्सियस के रूप में आरटी करने के लिए तापमान ड्रॉप /
2. सील ग्लास में अवशिष्ट तनाव माप
नोट: FBG सेंसर MTGS में तनाव को मापने के लिए एक उपयुक्त विधि के रूप में बनाया गया है. FBG सेंसर की ग्रेटिंग लेंथ 5 मिमी है जो कांच (5 मिमी) की ऊंचाई से अच्छी तरह से मेल खाती है।
- दानेदार कांच पाउडर को कांच के सिलेंडर में कॉम्पैक्ट करें जैसा कि चरण 1-1-1-2 में वर्णित है।
नोट: कांच सिलेंडर की ऊंचाई महत्वपूर्ण है, क्योंकि अगर सिलेंडर बहुत अधिक है (gt; 6 मिमी), यह कांच सामग्री को नष्ट करने के बिना FBG सेंसर के लिए एक मार्ग के माध्यम से बनाने के लिए मुश्किल हो जाएगा. - ऑप्टिकल फाइबर सेंसर (व्यास 0.45 मिमी) के लिए पथ तैयार करने के लिए तीन समान रूप से स्थान वाले छेद ों का उत्पादन करने के लिए 5,000 आरपीएम की ड्रिल गति का उपयोग करके ग्लास सिलेंडर को ड्रिल करें। कांच के बेलन को उसी ऊष्मा उपचार का उपयोग करके छिद्रों के साथ काट लें जैसा चित्र 4में दर्शाया गया है।
- चरण 1.4 में वर्णित के रूप में MTGS मॉडल का निर्माण. फिर, कांच सील करने में पथ के माध्यम से फाइबर डाल दिया और वास्तव में कांच के भीतर FBG के ग्रेटिंग क्षेत्र की स्थिति.
नोट: क्योंकि ऊर्ध्वाधर भट्ठी में प्रवाह ग्रेटिंग क्षेत्र है, जो FBG और कांच के बेमेल की ओर जाता है उड़ा सकते हैं, ऑप्टिकल फाइबर की पूंछ एक छोटे से नाखून के साथ लटका दिया जाना चाहिए FBG की स्थिति सही रखने के लिए. - संलयन splicers द्वारा एक एफसी संबंधक के साथ ऑप्टिकल फाइबर के सिर फ्यूज. फिर, OPM-T400, जो तरंगदैर्ध्य डेटा और FBG के स्पेक्ट्रम demodulate करने के लिए एक प्रश्नकर्ता है के साथ एफसी संबंधक मैच. OPM-T400 किसी कंप्यूटर से कनेक्टेड है, और कंप्यूटर पर समर्थन सॉफ़्टवेयर प्रयोगात्मक डेटा प्राप्त कर सकते हैं।
- पहले प्राप्त मानक गर्मी उपचार द्वारा एक भट्ठी में पूरे मॉडल की प्रक्रिया. तापमान को 450 डिग्री सेल्सियस से बढ़ाकर 5 डिग्री सेल्सियस मिनट के रूप में करें, फिर तापमान को 0.5 डिग्री सेल्सियस/मिनट की वृद्धि में आर टी में छोड़ दें। ग्रेटिंग क्षेत्र सील ग्लास के साथ जुड़ा हो जाएगा क्योंकि इसे पिघलाने के लिए गर्म किया जाता है। जब तापमान आरटी के लिए ठंडा हो जाता है, तो कांच जम जाएगा और एफबीजी सेंसर सीलिंग सामग्री के साथ अच्छी तरह से जुड़ा हो जाएगा।
- सॉफ्टवेयर का उपयोग कर के वास्तविक समय Bragg तरंगदैर्ध्य डेटा रिकॉर्ड (चित्र 6में दिखाया गया है). तरंगदैर्ध्य और स्पेक्ट्रम के परिवर्तन को प्रेरित करने वाला एकमात्र कारक सील ग्लास में उत्पन्न अवशिष्ट तनाव है, क्योंकि इस चरण से पहले और बाद का तापमान आरटी दोनों है।
नोट: अवशिष्ट तनाव FBG14 और हुक के कानून के तनाव तरंगदैर्ध्य संबंध के माध्यम से गणना की जा सकती है, जैसा कि नीचे दिखाया गया है.
कहाँ: र्ठ अवशिष्ट प्रतिबल द्वारा प्रेरित ब्रैग तरंगदैर्घ्य विस्थापन है, र्ठ एफ बी जी की प्रारंभिक तरंगदैर्घ्य है, च् े तनाव-दृष्टि गुणांक है, र् है अवशिष्ट कांच में तनाव, ई सील कांच के युवा मापांक है, और $ कांच में अवशिष्ट तनाव है.
3. उच्च तापमान के तहत MTGS संरचना की विफलता को रोकने
नोट: एक उच्च तापमान पर काम करते समय, MTGS संरचना की hermeticity प्रभावित हो जाएगा, क्योंकि इस्पात खोल के थर्मल विस्तार सील कांच में अवशिष्ट तनाव की कमी की ओर जाता है. इस प्रकार, यह संभव है कि यह प्रोटोकॉल सील कांच में अवशिष्ट तनाव परिवर्तन की ऑनलाइन निगरानी के कारण उसकी कमी को रोक सकता है।
- चरण 1.4 में किया के रूप में MTGS मॉडल का निर्माण. तापमान और तनाव पर नजर रखने के लिए FBG के प्रकार एक साथ फाइबर Bragg grating सरणी सेंसर है, एक फाइबर पर दो ग्रेटिंग क्षेत्रों सहित, इन दो सेंसरों के बीच एक 10 मिमी दूरी के साथ.
नोट: ये दो ग्रेटिंग FBG-1 और FBG-2 के रूप में परिभाषित कर रहे हैं. FBG-1 और FBG-2 के प्रारंभिक ब्रैग तरंगदैर्ध्य क्रमशः 1545 एनएम और 1550 एनएम हैं। - तनाव और तापमान पर नजर रखने के लिए एफबीजी-1 को सिंटर्ड ग्लास सिलेंडर में रखें। केवल तापमान की निगरानी करने के लिए कांच के बाहर एफबीजी-2 रखें, जैसा कि चित्र 7क,खमें दिखाया गया है। इस तरह, FBG-1 दोनों तापमान और अवशिष्ट तनाव परिवर्तन से प्रभावित है, और FBG-2 केवल सील कांच के तापमान से प्रभावित है.
- 2-2-3 के चरणों में वर्णित भट्टी में ऑप्टिकल फाइबर के साथ MTGS मॉडल रखें. एक एम्बेडेड FBG सेंसर के साथ MTGS मॉडल को संसाधित करने के लिए मानक गर्मी उपचार का उपयोग करें.
- 100 डिग्री सेल्सियस, 200 डिग्री सेल्सियस, 300 डिग्री सेल्सियस, और 400 डिग्री सेल्सियस के तापमान को मॉडल पर रखें और प्रत्येक तापमान को 100 मिनट के लिए रखें।
नोट: एफबीजी-1, ब्रग तरंगदैर्ध्य विस्थापन के रूप में एक साथ व्यक्त किए गए दबाव और ताप की निगरानी करता है- ब-1तथा एफबीजी-2 ताप परिवर्तन की निगरानी करता है जो चित्र 8अ, खमें दर्शाया गया है। Bragg तरंगदैर्ध्य पारी और मापा पैरामीटर के बीच संबंधों को निम्नानुसार दिखाए जाते हैं:
कहाँ: र् थर्मो-ऑप्टिक गुणांक है, प्रकाशिक फाइबर का तापीय विस्तार गुणांक है, और प्रयोग से पहले और बाद में तापमान परिवर्तन होता है। अवशिष्ट प्रतिबल द्वारा प्रेरित र्ठ-3 को घटाकर ठ-1 से भ-1 करके अलग किया जा सकता है (चित्र 8 ब्) देखिए) यह एक साथ तापमान और उच्च तापमान पर सील कांच के तनाव की निगरानी के लिए demodulation विधि है।
4. उच्च दबाव की निगरानी
नोट: MTGS संरचना पर दबाव भार सील कांच में अवशिष्ट तनाव पर प्रभाव पड़ेगा, तो एम्बेडेड FBG सेंसर के साथ MTGS मॉडल उच्च दबाव परिवर्तन की निगरानी करने के लिए एक संभावित विधि है.
- FBG सेंसर के साथ एक ही MTGS मॉडल तैयार के रूप में चरण 2.2-2.3 में वर्णित. FBG के बाद अच्छी तरह से MTGS मॉडल के साथ जुड़ा हुआ है, पंजा का उपयोग करने के लिए भट्ठी से बाहर मॉडल ले.
- चित्र 9में दर्शाए अनुसार काटने के प्रकार ट्यूब फिटिंग द्वारा एफबीजी सेंसर के साथ एमटीजीएस मॉडल का निर्माण करें। सील संरचना पर बदलते दबाव भार लागू करने के लिए वाल्व को कम करने के दबाव से 1 एमपीए से 7 एमपीए के दबाव को समायोजित करें।
- ख् चित्र 10में दर्शाए अनुसार ब्रैग तरंगदैर्ध्य विस्थापनख् को अभिलिखित किया गया है। एक ही समय में, संबंधित अवशिष्ट तनाव परिवर्तन समीकरण 1 और समीकरण 2का उपयोग कर की गणना की जा सकती है।
5. एमटीजीएस संरचना का सैद्धांतिक विश्लेषण
- MTGS संरचना के लिए 3 डी मॉडल का निर्माण करने के लिए मॉडलिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करें, और आयाम तालिका 1 से लिया जाता है प्रयोगात्मक मॉडल और सैद्धांतिक मॉडल अनुरूप रखने के लिए.
- परिमित तत्व विश्लेषण सॉफ्टवेयर में 3 डी मॉडल आयात करें। इस्पात के खोल, सील कांच और कोवर कंडक्टर को यांत्रिक गुण असाइन करें, जैसा कि तालिका 2में दिखाया गया है।
- पूरे मॉडल का ग्रिड प्रकार हेक्स आकृति है (चित्र 11देखें)। सील ग्लास और स्टील खोल के जाल विधि स्वीप कर रहे हैं, और कोवर कंडक्टर संरचित विधि से meshed है। सैद्धांतिक परिणामों की सटीकता की गारंटी के लिए कांच सील करने के जाल को परिष्कृत करें। कोवर कंडक्टर, सील ग्लास और स्टील शेल के तत्वों की संख्या क्रमशः 143700, 20350 और 13400 है।
- क्रमशः 0.01, 1.00 x 10-8 और 1.00 x 10-2के रूप में स्थिर विश्लेषण चरण की प्रारंभिक वृद्धि, न्यूनतम वृद्धि, और अधिकतम वृद्धि सेट करें।
- सुनिश्चित करें कि सील ग्लास और धातु भागों के बीच इंटरफेस बंधे हैं। सबसे पहले, MTGS मॉडल के ठोसीकरण प्रगति अनुकरण करने के लिए बदलते तापमान लोड (370 डिग्री सेल्सियस से 20 डिग्री सेल्सियस) लागू करने के लिए। इस प्रक्रिया के बाद तनाव वितरण चित्र 12में दिखाया गया है।
- थर्मल लोड के तहत ऑनलाइन निगरानी प्रयोगों अनुकरण करने के लिए पूरे मॉडल पर विभिन्न तापमान (100 डिग्री सेल्सियस से 400 डिग्री सेल्सियस) लागू करें। अन्य परिस्थितियों के तहत, उच्च दबाव के तहत ऑनलाइन निगरानी अनुकरण करने के लिए सील ग्लास पर दबाव भार (1 एमपीए से 7 एमपीए) को बदलने के लिए लगाया जाता है। सीमा की स्थिति चित्र 13में दर्शायी गई है।
- पूरे मॉडल के दबाव और तनाव वितरण के संख्यात्मक परिणाम चित्र 14में दर्शाए गए गंतव्य फाइल से प्राप्त किए जाते हैं। चित्र 13में दिखाए गए सीलिंग ग्लास में विश्लेषण पथ निकालें, जिनमें से स्थिति FBG सेंसर के लिए निगरानी पथ है चित्रा 6a में FBG द्वारा मापने के परिणामों के साथ तुलना प्रदान करने के लिए.
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Representative Results
चित्रा 5के परिणामों से, उच्च दबाव धीरज के साथ एमटीजीएस मॉडल का उत्पादन करने के लिए मानक गर्मी उपचार का पता लगाया जाता है, और मॉडल परीक्षाओं को संतुष्ट कर सकते हैं (यानी, प्रकाश प्रसारण, दबाव धीरज, SEM, आदि)। इस प्रकार, उत्पादित MTGS संरचना कठोर वातावरण में hermeticity रखने के लिए लागू किया जा सकता है.
FBG MTGS संरचना के साथ अच्छी तरह से जुड़ा हो सकता है, और सील कांच में अवशिष्ट तनाव गर्मी उपचार के बाद Bragg तरंगदैर्ध्य बदलाव से परिलक्षित होगा, जैसा कि चित्र 6में दिखाया गया है। अवशिष्ट प्रतिबल के मान की गणना समीकरण 1 और समीकरण 2का उपयोग करके सटीक रूप से की जा सकती है। चित्र 12में संख्यात्मक अनुकरण के परिणामों के लगभग समान है।
100 डिग्री सेल्सियस से 400 डिग्री सेल्सियस तक सील कांच के वास्तविक समय तनाव परिवर्तन चित्र8में दिखाए गए एफबीजी सेंसर द्वारा ठीक से निगरानी की जाती है, और सील कांच में अवशिष्ट तनाव की कमी तुरंत परिलक्षित हो सकती है। अवशिष्ट तनाव को उच्च स्तर पर रखना आवश्यक है। नतीजतन, एमटीजीएस संरचना के hermeticity रखने के लिए रोकथाम इस प्रोटोकॉल का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकता है.
चित्र10के परिणामों से, 1 एमपीए से 7 एमपीए तक सील ग्लास के वास्तविक समय तनाव परिवर्तन संवेदनशील रूप से निगरानी की जाती है, जो संख्यात्मक परिणामों के साथ अच्छी स्थिरता बनाए रखता है। इसलिए, एम्बेडेड FBG सेंसर के साथ MTGS मॉडल उच्च दबाव परिवर्तन की निगरानी के लिए एक संभावित सेंसर है.
चित्र 1: MTGS संरचना का Schematic आरेख.
तीन घटक लेबल किए गए हैं. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 2: कांच सिलेंडर के लिए विनिर्माण प्रक्रिया।
(क) दानेदार कम पिघलने बिंदु सील ग्लास। (ख) कांच के पाउडर के लिए मोल्ड। (ग) कांच पाउडर को सिलेंडर में संसाधित करने के लिए प्रेस मशीन। (घ) कांच का सिलेंडर सिंटरिंग के लिए तैयार किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 3: सिंटर्ड ग्लास सिलेंडर और संबंधित सिंटर उपचार।
सिंटर प्रक्रिया के बाद, कच्चे कांच का माल आगे की प्रक्रिया के लिए सिंटर्ड स्थिति में बदल जाएगा। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 4: MTGS संरचना और गर्मी उपचार MTGS संरचना को संसाधित करने के लिए।
(क) निर्मित एमटीजीएस संरचना। (ख) सील सामग्री में परिवर्तन के अनुसार विस्तृत ऊष्मा उपचार को तीन चरणों में विभाजित किया गया है। (ग) गर्मी उपचार द्वारा उत्पादित एमटीजीएस नमूना। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 5: SEM और विभिन्न प्रदर्शन के साथ उत्पादित MTGS नमूनों के दृश्य निरीक्षण.
(क) अच्छी जड़ी-ब-दिन सील करने वाले कांच और इस्पात के खोल की सूक्ष्म संरचना। (ख) सीलिंग कांच और कोवर कंडक्टर की सूक्ष्म संरचना अच्छी जड़ी-बूटी के साथ। (ग) सील कांच और इस्पात के खोल की सूक्ष्म संरचना जिसमें असफल उसकी योग्यता है। (घ) सील करने वाले कांच और कोवर कंडक्टर की माइक्रोस्ट्रक्चर असफल उसकी योग्यता के साथ। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 6: अवशिष्ट तनाव FBG द्वारा मापा.
(क) सीलिंग ग्लास में एफबीजी सेंसर का सेट-अप। (ख) सीलिंग प्रक्रिया के दौरान ब्रैग तरंगदैर्ध्य वक्र, सील कांच में अवशिष्ट तनाव के लिए तरंगदैर्घ्य विस्थापन के साथ खड़ा होता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 7: FBG सरणियों द्वारा MTGS संरचना के एक साथ तापमान और तनाव की निगरानी.
(क) हीटिंग फर्नेस का फोटोग्राफ। (ख) भट्टी में रखे गए एमटीजीएस नमूने का फोटोग्राफ। (ग) थर्मल लोड के अंतर्गत ऑनलाइन राज्य निगरानी प्रयोग का गठन। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 8: थर्मल लोड के तहत ऑनलाइन निगरानी परिणाम.
(क) तनाव और तापमान परिवर्तन से प्रभावित संकेत। (ख) तापमान निगरानी संकेत। (ग) तनाव निगरानी संकेत। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 9: दबाव भार के तहत ऑनलाइन निगरानी.
(क) उच्च दाब पाइपलाइन का फोटोग्राफ। (ख) दबाव भार के तहत ऑनलाइन राज्य निगरानी प्रयोग का गठन।
चित्र 10: दबाव लोड के तहत femto-लेजर खुदा FBG के ऑनलाइन राज्य निगरानी परिणाम.
एफबीजी सेंसर की तरंगदैर्ध्य दबाव बढ़ने के साथ लगभग रैखिक रूप से कम हो जाती है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 11: सील कांच के शोधन के साथ एमटीजीएस संरचना की मेष।
बाहर से अंदर करने के लिए जाल क्रमशः इस्पात खोल, सील ग्लास और कोवर कंडक्टर है।
चित्र 12: निर्माण प्रक्रिया के बाद MTGS संरचना के संख्यात्मक अनुकरण.
(क) सील करने वाले कांच का अक्षीय प्रतिबल तथा (ख) रेडियल स्ट्रेस वेक्टर ग्राफ। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 13: थर्मल और दबाव भार और गणना पथ के तहत ऑनलाइन निगरानी के लिए सीमा की स्थिति.
तापीय भार 100 डिग्री सेल्सियस से 400 डिग्री सेल्सियस तक परिवर्तित हो जाता है। दबाव भार 1 MPa से 7 MPa करने के लिए बदल जाते हैं। अक्षीय पथ वास्तव में सील कांच में FBG की मापने की स्थिति है. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 14: गंतव्य फ़ाइलों के साथ सॉफ़्टवेयर का संस्करण.
विशेष परिणाम (यानी, तनाव, तनाव, आदि) इस इंटरफ़ेस से निकाला जा सकता है. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
| आयाम (मिमी) | स्टील खोल | सील ग्लास | कोवर कंडक्टर |
| भीतरी व्यास | 7 | 2.5 | 0 |
| बाहरी व्यास | 10 | 7 | 2.5 |
| ऊंचाई | 20 | 5 | 30 |
तालिका 1: MTGS संरचना के आयाम.
| पैरामीटर | स्टील खोल | सील ग्लास | कोवर कंडक्टर |
| योंग मापांक (जीपीए) | 183 | 56.5 | 157 |
| प्यासन अनुपात | 0.3 | 0.25 | 0.3 |
| थर्मल विस्तार गुणांक (1/ | 1.6 $ 10-5 | 8.9 $ 10-6 | 4.9 $ 10-6 |
तालिका 2: MTGS संरचना के यांत्रिक गुण.
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Discussion
उच्च तापमान और उच्च दबाव पर एमटीजीएस संरचना की सीलिंग सामग्री के तनाव को मापने के लिए महत्वपूर्ण कदम 1) FBG सेंसर के साथ MTGS मॉडल के निर्माण में शामिल हैं, जिनमें से ग्रेटिंग क्षेत्र सील ग्लास के बीच में स्थित है; 2) एक मानक गर्मी उपचार प्रक्रिया का उपयोग कर पूरे मॉडल के हीटिंग, और मॉडल आरटी करने के लिए ठंडा करने के बाद, FBG सेंसर अच्छी तरह से MTGS मॉडल के साथ जुड़े हो जाता है, और अवशिष्ट तनाव Bragg तरंगदैर्ध्य बदलाव से मापा जा सकता है; 3) बदलते थर्मल भार का अनुभव करने के लिए भट्ठी में पूरा मॉडल की रखने, और ऑनलाइन एक साथ तापमान और तनाव की निगरानी तो एक ऑप्टिकल फाइबर पर दो FBG सरणियों की तरंगदैर्ध्य बदलाव अंतर से प्राप्त किया जा सकता है; और 4) एक उच्च दबाव पाइप लाइन पर पूरा मॉडल के निर्माण, और अलग दबाव के साथ सील कांच के तनाव परिवर्तन सील कांच में एक एकल FBG द्वारा प्राप्त किया जाएगा. सबसे महत्वपूर्ण कदम सील कांच में सही स्थित नंगे FBG रखने के लिए है.
प्रयोगात्मक और संख्यात्मक परिणामों की तुलना, मापा अक्षीय अवशिष्ट तनाव (56 MPa) लगभग सैद्धांतिक मूल्य के रूप में ही है (53 MPa), और थर्मल और दबाव भार के तहत ऑनलाइन निगरानी प्रयोगों के दौरान अवशिष्ट तनाव परिवर्तन के साथ सहमत हूँ सिमुलेशन परिणाम, कम से कम 10% के विचलन के साथ. यह प्रोटोकॉल फेम के माध्यम से व्यवहार्य और सटीक सिद्ध हुआ है।
भविष्य में, इस प्रोटोकॉल उच्च पिघलने बिंदु सील ग्लास (880 डिग्री सेल्सियस) के साथ एक MTGS संरचना में बड़े पैमाने पर तनाव को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इस प्रयोग में मुख्य मुद्दा FBG सेंसर का तापमान धीरज है, इसलिए प्रकार द्वितीय grating femto-लेजरबिंदु से बिंदु विधि द्वारा खुदा 15 लागू किया जा सकता है.
फेम के परिणामों से, सील ग्लास में तनाव वितरण गैर-यूनिफॉर्म है, जिसका अर्थ है कि एफबीजी की ग्रेटिंग चहकेगी और स्पेक्ट्रम को चौड़ा किया जाएगा, स्पष्ट रूप से तनाव16से प्रभावित होगा। अगले कदम में, FBG की बैंडविड्थ और तनाव वितरण के बीच संबंध का अध्ययन किया जाना चाहिए, जो एक उपन्यास विशेषता के रूप में सेवा करने के लिए छोटी दरारें और संरचनात्मक के क्षेत्र में अन्य क्षति से प्रेरित विशिष्ट, गैर वर्दी तनाव की पहचान कर सकते हैं स्वास्थ्य निगरानी17,18,19.
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Disclosures
लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.
Acknowledgments
इस काम को चीन की राष्ट्रीय एस एंड टी प्रमुख परियोजना ($X069) द्वारा समर्थित किया गया है।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ABAQUS | Dassault SIMULA | ABAQUS6.14-5 | The software to carry out numerical simulation. |
| Fiber Bragg grating sensors | Femto Fiber Tec | FFT.FBG.S.00.02 Single | apodized FBG |
| Fusion splicer | Furukawa Information Technologies and Telecommunications | S123M12 | FITEL's line of fusion splicers provides an excellent solution for both field and factory splicing applications? |
| Glass powder | Shenzhen Sialom Advanced Materials Co.,Ltd | LC-1 | A kind of low melting-point glass powder (380?). |
| Graphite mold | Machining workshop of Tsinghua University | Graphite | The mold to locate each part of the metal-to-glass structure. |
| Heating furnace | Tianjin Zhonghuan Electric Furnace Technology Co., Ltd | SK-G08123-L | vertical tubular furnace |
| Kovar conductor | Shenzhen Thaistone Technology Co., Ltd | 4J29 | A common material used for the electrical penetration in the metal-to-glass seal structure |
| Optical interrogator | Wuhan Gaussian Optics CO.,LTD | OPM-T400 | FBG spectrum analysis modules |
| Pro/Engineer | Parametric Technology Corporation | PROE5.0 | The software to establish the 3D geometry. |
| Steel shell | Beijing Xiongchuan Technology Co., Ltd | 316 stainless steel | A kind of austenitic stainless steel |
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