[科普中国]-分区加热系统

加热系统在制作微结构塑料光纤(Microstruc—tured Polymer Optical Fibers——MPOF)过程中是非常重要的，它直接影响最终拉丝结果的好坏。一种分区加热系统，该系统将预热区和高温区隔离开来，并采用隔板与外界空气隔离，可以达到比较理想的温度曲线，满足了制作不同结构MPOF时的需要。

概念拉丝是制作微结构聚合物光纤(MPOF)的关键环节之一，而加热系统则是拉丝塔的关键组成部分。制作MPOF要求加热系统的温度场呈特殊分布，因此设计了一种基于微控制器(Microcontrol Unit，MCU)的分区加热系统。该系统温度曲线比较理想，满足了制作MPOF的需要。

MPOF用拉丝塔分区加热系统的设计研究进展微结构聚合物光纤(MPOF)又称塑料光子晶体光纤(PPCF)或塑料多孔光纤(Plastic Holey Fiber)。由于光子晶体光纤(PCF)具有许多传统光纤无法比拟的特性，近年来已成为研究的热点。但大多数研究都是针对石英材料，对塑料微结构光纤的研究还比较少。2001年澳大利亚悉尼大学M.A.Van Eijkelenborg等人采用与石英PCF类似的制作办法，制作出了第一根几百米长的PPCF。之后，又有多种MPOF的报道，包括单模MPOF、渐变折射率多模
MPOF、高双折射MPOF、电光MPOF、双芯MPOF、环形结构MPOF以及光子带隙型MPOF等。相对于石英光纤，MPOF具有重量轻、弯曲性能好、芯径可以做得比较大，连接方便，成本低等优点；相对于同轴电缆和双绞线，MPOF带宽更大，成本更低，不受电磁干扰，保密性好。MPOF有望和石英光纤组成的主干网实现全光通信，因此MPOF是光纤到家(FTTH)理想的解决方案之一。在数据传输领域，如计算机局域网通信，智能家电之间的数据传输等，MPOF都有良好的应用前景。MPOF的某些特性可以用来制作光器件或光纤传感器等。在航空、汽车和军事等应用场合既要求传输线质量轻、弯曲性能好，又要求其具有足够的带宽，而MPOF尤其适合。相关课题组多年以来一直致力于POF和MPOF的制作和应用研究。

MPOF的制作主要包括预制棒制备和光纤拉制两步。预制棒的制作方法比较多，有毛细管堆积法、钻孔法、挤出法、注塑法等；而光纤拉制的方法相对比较固定，即将预制棒加热到一定温度，以适当的速度将其拉丝。MPOF拉丝过程实际上是对预制棒的一种精细的再加工，微结构是否保持良好是拉丝工艺的关键。影响微结构保持的因素很多，拉丝速度、张力大小、加热系统性能以及预制棒材料的纯度等都有可能引起微结构变形甚至完全塌陷。

研究结果加热系统温度控制是拉制MPOF时必须解决的一个难题。我们根据试验中摸索出的最佳温度分布曲线，结合空气动力学方面的相关理论设计了一种新型的加热系统，即基于微控制器的分区加热系统。此系统采用分区加热，尽量限制空气流动和鼓风调温的新设计思想，采用以MCU作为核心的高精度闭环控制。实测表明，此系统的实际温度分布和理想的温度分布比较一致，在拉丝试验中取得了良好的使用效果，解决了MPOF制作工艺中的一个难题，为成功拉制MPOF奠定了坚实基础。此系统采用的是接触式的温度传感器(热电偶)，由于传感器不能深入到炉膛中心，所以检测的温度与实际温度有一定偏差，这影响了加热系统的精度。计划在条件具备时改用非接触式的温度检测方式。1

塑料微结构光纤拉丝塔分区加热系统的设计微结构塑料光纤在很多领域都有着良好的应用前景，它有很多优于传统石英光纤的特点。比如成本低、韧性好易加工、易耦合等等。所以多年来一直致力于微结构塑料光纤的制作研究。而拉丝是制作光纤过程中一个至关重要的步骤。当微结构孔尺寸达到微米及亚微米级时就容易出现变形的问题。发现影响孔变形的因素主要是拉丝速度和温度，主要探讨直接决定拉丝温度的加热系统。

拉丝是制作光纤过程中关键性的一环。而加热系统对拉丝结果而言至关重要，因此必须解决加热系统的问题。根据试验中摸索出来的最佳拉丝温度曲线结合空气动力学方面的相关理论设计了一种新型的加热系统。该系统采用分区加热，并加入根据可调光栏原理制作的连续可调的隔板来尽量限制空气的流动。并采用温控仪来对温度进行控制。试验表明该系统温度分布曲线基本符合要求，在多次拉丝试验中取得了良好的效果。2

挤压筒分区加热控制系统的设计挤压筒是挤压机的重要构件，挤压筒加热温度控制系统的设计是挤压机自动化控制的重点和难点。传统的挤压筒加热控制只具备恒温控制，而且恒温控制的手段落后，精度较差，挤压筒加热的升温过程更是完全依靠人工控制。为了求得理想的挤压筒加热工艺，必须对挤压筒的温度、温度对时间的变化率进行调节与控制。因此，要求对温度进行程序控制，使温度严格按给定温控曲线变化，以保证挤压筒温度的均匀性、准确性。这里采用分区直棒式电阻加热，挤压筒加热沿横向分为三区，三区独立控制，每区均有温度显示，要求按照给定温度控制曲线进行升温控制，加热到设定温度后进行保温控制，温度控制为闭环控制。加热功率165kW，功率元件额定电压 AC380V。

软件设计程序设计采用模块化、功能化结构，由系统主程序、温度给定、温度检测、闭环控制、给定曲线修正以及故障报警等几大模块组成。程序设计时充分考虑到了系统运行时可能会遇到的各种干扰，采用了数字滤波及现场数据保护等技术，保障了系统的可靠性。各个功能模块之间相互联系又相对独立。整套程序具有很好的可读性和可移植性，便于维护、扩展。

温度闭环控制PLC对加热功率的闭环控制是利用PLC的输出触点来实现的。这种控制实际上是一种增量式控制，即PLC控制器给出其偏差控制值的增量，增量的绝对值决定脉冲的宽度，脉冲的宽度与一个周期内加热棒加热的时间成正比，从而改变了单位周期内加热棒的加热功率。其具体控制规则如下：

（1）温差绝对值大于设定的门槛值时，令输出触点一直闭合，以尽快减小温差。

（2）温差小于设定的门槛值时，采用具有变速积分、被控量微分和不完全微分等功能的改进PID控制算法。

（3）温差值小于设定的死区时，停止控制。

（4）考虑到开关量无法响应太窄的脉冲输出，设置脉冲宽度的最小值限制，脉冲宽度小于该值时不输出。

研究结果挤压筒加热分区控制与过去单区加热的模式相比，挤压筒的加热温度更均匀、更符合挤压工艺的要求；通过环行导线连接加热棒这种施工模式，大大降低了由加热元件引起的相间短路和接地短路等故障的发生，减少了故障停机的时间，使加热棒的更换变的简单和快速；采用PLC开关量输出，通过脉冲宽度闭环控制模式，使其控制性能得到大幅提高。该控制系统已经在多台挤压机生产线中得到应用。3

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所