Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Средства разработки систем автоматизации теплофизического эксперимента 18
1.1 Принципы построения систем автоматизации теплофизического эксперимента 18
1.2 Компьютерно - измерительная система «Аксамит 6.25» 21
1.3 Система контроля и сбора данных «АК-9.02» 23
1.4 Тензометрическая станция «СИИТ-2» 25
1.5 Преобразователь сигналов «ТЕРКОН» 28
1.6Криостат«КРИО-ВТ-05-01» 32
1.7 Датчики и преобразователи 33
1.7.1 Датчики температуры 33
1.7.2 Цифровые термометры и температурные логгеры Dallas Semiconductors 39
1.7.3 Датчики давления (барорезисторы) 41
1.8 Язык программирования Turbo Pascal и среда визуальной разработки Borland Delphi 41
1.8.1 Язык программирования Turbo Pascal 42
1.8.2 Среда программирования Borland Delphi (Embarcadero RALD Studio).43
Выводы по 1 главе 45
ГЛАВА 2. Автоматизация серийно выпускаемых средств измерений 46
2.1. Автоматизированный измеритель теплопроводности ИГ- X -400 46
2.1.1 Описание метода 46
2.1.2 Градуировка измерителя 50
2.1.3 Описание рабочей программы измерителя теплопроводности ИТ -X -400 52
2.2 Автоматизированный измеритель теплоемкости ИТ- С -400 54 2.2.1 Описание метода 56
2.2.2 Градуировка измерителя 57
2.2.3 Описание рабочей программы измерителя теплоемкости ИТ - С - 400 59
2.3. Управление экспериментом и автоматизация измерений
теплопроводности алмазов на базе прибора УКТ-3 62
2.3.1 Метод стягивания теплового потока 65
2.3.2 Описание автоматизированной установки 67
2.4 Автоматизация измерений теплопроводности материалов на базе установки ИТСМ-1 71
2.4.1 Установка ИТСМ-1 71
2.4.2 Автоматизация установки 73
2.5 Управление экспериментом и автоматизация измерений теплопроводности методом двухточечного зондирования (Зонд Калинина А.Н.) 76
2.5.1 Описание метода 76
2.5.2 Автоматизация теплового компаратора и разработка программы измерения и градуировки 80
2.5.3 Градуировка компаратора 82
Выводы по 2 главе 83
ГЛАВА 3. Измерительные установки собственной разработки 85
3.1 Установки квазистационарного теплового режима 85
3.1.1 Описание метода 85
3.1.2 Функциональная схема установки и ее работа 87
3.1.3 Анализ инструментальных и методических погрешностей 92
3.2 Установка начальной стадии разогрева (Измеритель теплопроводности образца в форме пластины) 99
3.2.1 Теоретические основы метода 99
3.2.2 Функциональная схема и работа установки 101
3.3 Автоматизированный комплекс для измерения теплопроводности методом цилиндрического зонда постоянной мощности 106
3.3.1 Теория цилиндрического зонда 106
3.3.2 Метод Майзенера 108
3.3.3 Описание автоматизированной установки 109
3.4 Автоматизация печи для спекания полимерных образцов 112
3.4.1 Функциональная схема и работа печи 112
3.5 Азотный криостат для градуировки датчиков температуры с рабочим диапазоном от -180 до 100 С 114
Выводы по 3 главе 119
ГЛАВА 4. Натурные измерения и испытания 120
4.1 Натурные испытания сосудов высокого давления 120
4.1.1 Стенд для низкотемпературных натурных испытаний сосудов высокого давления и магистральных трубопроводов 122
4.1.2 Датчик давления - Барорезистор 129
4.1.3 Установка для низкотемпературных натурных испытаний сосудов высокого давления 133
4.2 Мониторинг температурного режима грунтов 138
4.3 Автоматизированный комплекс диспетчерского контроля температуры и давления диктующих точек сетей городского водоснабжения 147
Выводы по 4 главе 154
ГЛАВА 5. Результаты исследований 155
5.1 Закономерности изменения теплофизических свойств дисперсных сред и фазового состава поровой влаги в них 155
5.1.1 Изменение теплофизических свойств глинисто-песчаных грунтов при положительных температурах 155
5.1.2 Фазовый состав поровой влаги, теплофизические свойства глинисто-песчаных смесей при отрицательных температурах 165
5.1.3 Теплофизические свойства грунтов Чаяндинского
нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) 171 5.2 Методика экспериментального определения количества незамерзшей
воды в песчаных и глинистых грунтах в зависимости от температуры, влажности и концентрации соли 178
5.3 Тепло физические свойства наполненных фторопластов и их наполнителей 184
5.3.1 Зависимость теплофизических свойств мелко- и ультрадисперсных наполнителей от плотности и температуры 184
5.3.2 Зависимость теплофизических свойств наполненных фторопластов от температуры и концентрации наполнителей 187
5.3.3 Расчёт теплопроводности наполненных фторопластов методами теории обобщённой проводимости 1 5.4 Результаты испытаний трубопроводов и сосудов высокого давления 202
5.5 Результаты мониторинга температурного режима грунтов 223
Выводы по 5 главе 230
Заключение 232
Список использованной литературы 236
- Тензометрическая станция «СИИТ-2»
- Описание рабочей программы измерителя теплопроводности ИТ -X -400
- Установка начальной стадии разогрева (Измеритель теплопроводности образца в форме пластины)
- Установка для низкотемпературных натурных испытаний сосудов высокого давления
Введение к работе
Актуальность.
В настоящее время стратегическое развитие России прочно связано с освоением территорий Крайнего Севера, где сосредоточены значительные запасы месторождений цветных металлов, золота, алмазов и углеводородного сырья. Однако освоение новых территорий порождает и новые проблемы, связанные со строительством сооружений и разработкой полезных ископаемых в районах многолетней мерзлоты.
Изменения климата, масштабное освоение месторождений полезных ископаемых, строительство железнодорожных и автомобильных магистралей, гидростанций, гражданских и промышленных объектов оказывает негативное влияние на вечную мерзлоту. Недооценённые в 80-х годах XX в. проявления деградации вечной мерзлоты через 30 лет привели к катастрофическим последствиям, проявившимся в непригодности к эксплуатации значительной части жилых зданий, дорог, инженерных сетей, промышленных сооружений.
Современное проектирование объектов строительства в районах Крайнего Севера во многом обеспечивается качественными предварительными геотехническими изысканиями, по результатам которых проводятся разносторонние исследования образцов грунта и определяются их основные физико-механические (несущие нагрузку, эксплуатационные) и теплофизические свойства, такие, как теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность и количество незамерзшей воды в области фазовых переходов.
Возникает необходимость определения теплофизических свойств для эффективного применения новых строительных, конструкционных и технологических материалов. При этом диапазон свойств исследуемых материалов очень широк - от материалов тепловой изоляции до высокотеплопроводных алмазов.
Для стабилизации проблемных участков многолетнемерзлого грунта, а также для устранения последствий растепления и деградации мерзлоты интенсивно применяется искусственное замораживание, как наиболее универсальный и надежный способ повышения прочности и несущей способности грунтов. Наибольшее распространение в регионах Крайнего Севера получило искусственное замораживание грунтов сезонно-действующими охлаждающими устройствами (СОУ). Данные устройства, также называемые термостабилизаторами грунтов (ТСГ), представляют собой автономное охлаждающее устройство, использующее естественные конвекционные свойства хладагента в зимних условиях, когда температура наружного воздуха опускается ниже температуры грунта. Для контроля работы СОУ (ТСГ) и состояния грунтов в зоне их установки требуется постоянный многолетний мониторинг температурных режимов.
Трубопроводные системы для транспортирования газа и нефтепродуктов -один из важнейших элементов топливно-энергетического комплекса страны. Протяженность газопроводной системы Республики Саха (Якутия) на сегодняшний день составляет около 2850 км магистральных газопроводов и газопроводов - отводов. Первая очередь нефтепроводной системы «Восточная Сибирь - Тихий океан» (ВСТО-1) от Тайшета (Иркутская область) до Сковородино (Амурская область) имеет протяженность 2694 км. Вторая очередь (ВСТО-2) проходит от Сковородино до порта Козьмино (Приморский край) в заливе Находка и имеет протяженность 2045 км. Трасса проходит через тайгу, зоны вечной мерзлоты на многих участках, скальные и песчаные породы, болота, и подвергается воздействию низких температур зимой и высоких летом с соответствующими изменения агрегатного (фазового) состояния в многократных циклах промерзания - протаивания.
В текущем году ОАО «Газпром» приступил к строительству стратегически важного газопровода «Сила Сибири» для поставок газа из Якутии в Приморский край и страны Азиатско-Тихоокеанского региона (совместный проект Газпрома и Китая). Данный газопровод является самым крупным строительным объектом в мире, и имеет проектную протяженность 4 000 км, из которых около 2 000 км проходит по районам вечной мерзлоты.
При эксплуатации подземных нефтепроводов, проложенных в зоне вечной мерзлоты, главную опасность представляет формирование вокруг подземных нефтепроводов ореолов оттаивания грунта. Крупные включения подземного льда при оттаивании дают термокарстовые провалы и просадку грунта, что может привести к повреждению трубопровода и многомиллионным убыткам. Для оценки и предотвращения последствий такого рода на стадии проектирования трубопроводов широко применяется математическое моделирование. Для построения математической модели требуется информация о структуре и свойствах среды, для чего проводятся геотехнические изыскания и исследования механических и теплофизических свойств слоев грунтов.
Также особую важность имеют исследования прочностных характеристик трубопроводов при естественных низких температурах. Воздействие внутреннего давления, деформирующих нагрузок, сезонных перепадов температур приводят к накоплению повреждений и усугублению изначальных дефектов трубопроводов. Для исследований структуры и прочностных свойств материалов трубопровода при таких воздействиях особо эффективно проведение натурных испытаний в условиях, приближенных к условиям эксплуатации.
Итак, актуальными являются как разработка методов для исследования теплофизических свойств неоднородных систем замерзающих и оттаивающих грунтов, теплоизоляционных и композиционных материалов (наполненных фторопластов), создание программно-аппаратных комплексов для реализации этих методов, результаты этих исследований, так и разработка методик проведения натурных испытаний трубопроводов нефтегазоснабжения при естественных низких температурах.
Необходимым условием обеспечения условий работы и проживания населения является бесперебойная эксплуатация трубопроводных хозяйств служб тепло- и водоснабжения. В условиях низких сезонных температур велика опасность разрушения данных трубопроводов замерзающей водой при нарушении требуемого температурного режима. Учитывая присущую данным системам сложную разветвленную структуру, становится весьма актуальным вопрос оперативного контроля параметров в критически важных точках системы. Для данных целей разрабатываются автоматизированные системы диспетчерского контроля и управления (АС ДКУ). Основными задачами АС ДКУ являются оперативный контроль текущих параметров производства и потребления ресурсов, а также анализ режимов эксплуатации, оптимальное управление и регулирование объектами тепло- и водоснабжения.
Цель работы.
-
Разработать комплекс методов автоматизации экспериментальных установок для исследования теплофизических свойств твердых тел и насыпных материалов.
-
Разработать методы и установки для исследования теплофизических свойств многокомпонентных материалов в области фазовых переходов.
-
Создать системы автоматизации натурных испытаний трубопроводов нефтегазоснабжения и сосудов высокого давления.
-
На созданных автоматизированных системах регулярно проводить мониторинг температурного режима грунтов.
-
Создать автоматизированный комплекс диспетчерского контроля температуры и давления диктующих точек сетей городского водоснабжения.
Для достижения этих целей необходимо:
- Автоматизировать на основе компьютерных измерительно-управляющих
систем комплекса (КИС Аксамит-А, КИС Аксамит-6.25, АК-9.03)
следующие измерительные устройства:
-
Измеритель теплопроводности ИТ-Х-400
-
Измеритель теплоемкости ИТ-С-400
-
Цилиндрический зонд постоянной мощности
-
Установку ИТСМ-1
-
Прибор для измерения теплопроводности алмазов УКТ-3
Разработать приборное и программное обеспечение метода квазистационарного теплового режима цилиндрического образца для определения теплофизических свойств твердых тел и насыпных материалов и тепломассообменных свойств влажных материалов в области фазовых переходов промерзания - протаивания.
Разработать метод и технологии испытаний на разрушение элементов конструкций магистральных трубопроводов нефтегазоснабжения и сосудов высокого давления с искусственными дефектами с целью определения
параметров хладостойкости, прочности и надежности при естественно низких температурах.
Разработать многоточечный шлейф-регистратор температуры на базе термологгеров iBDL.
Создать и ввести в эксплуатацию автоматизированный комплекс диспетчерского контроля температуры и давления диктующих точек сетей водоснабжения города Якутска.
Методы исследований.
При решении поставленных задач использовались теория теплопроводности, численные методы решения уравнений тепло - и массообмена, теория и методы автоматизации эксперимента. При разработке программного обеспечения использовались алгоритмические языки Turbo Pascal, Borland Delphi.
Научная новизна работы:
Разработан и создан комплекс методов на базе компьютерно-измерительных систем для определения теплофизических свойств твердых тел, неоднородных систем с фазовыми переходами (замерзающие и оттаивающие грунты), теплоизоляционных и композиционных материалов (наполненных фторопластов), реализующий методы начальной стадии нагрева пластины, квазистационарного теплового режима, цилиндрического зонда постоянной мощности в начальной стадии разогрева;
При создании данного комплекса реализована серия автоматизированных приборов с разработкой программного обеспечения для каждого прибора;
С использованием комплекса получены новые экспериментальные данные по теплофизическим свойствам неоднородных систем мелко- и ультрадисперсных наполнителей и композиционных материалов из группы наполненных фторопластов.
Выявлены закономерности изменения теплофизических свойств и количества незамерзшей воды в грунтах в диапазоне изменения естественных температур.
Создан стенд натурных испытаний сосудов высокого давления и магистральных труб.
Получены уникальные результаты натурных испытаний сосудов высокого давления при естественно низких температурах.
Практическая ценность проведенного исследования состоит в следующем:
Разработанный комплекс методов и автоматизированных устройств постоянно и широко используется для исследований теплофизических свойств широкого класса твердых, и неоднородных материалов.
Созданная серия приборов позволяет исследовать не только теплофизические свойства твердых тел, но и технологические процессы спекания фторопластовых изделий.
Результаты экспериментальных исследований тепло физических свойств мелко- и ультрадисперсных наполнителей и наполненных фторопластов используются при проектировании деталей машин и механизмов из данных материалов.
Комплекс методов для определения теплофизических свойств твердых тел и его отдельные составляющие использовались при выполнении исследований по тематическим планам СО РАН 1972-2014 г. г. ив хоздоговорных работах Институтом физико-технических проблем Севера СО РАН 1972-2014 г.г.
Результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств мелко- и ультрадисперсных наполнителей и наполненных фторопластов нашли практическое применение при математическом моделировании саморегулирующихся нагревателей, разработке и изготовлении износо- и термостойких антифрикционных материалов, а также деталей машин и механизмов из этих материалов Институтом неметаллических материалов СО РАН и Институтом проблем нефти и газа СО РАН 1975 - 2014 г.г.
Разработанная методика мониторинга температурного режима грунтов и получаемые с помощью нее данные не только подтверждают эффективность сезонно действующих охлаждающих устройств, но и выполняют функцию постоянного контроля состояния грунта в фундаменте крытого стадиона, оценивая безопасность эксплуатации сооружения. Кроме того, получаемые данные используются для оценки текущего состояния установок СОУ, в частности для определения необходимости их перезарядки хладагентом, что повышает эффективность использования и экономит используемый хладагент.
Рекомендации, выработанные на основе данных, полученных нами в ходе натурных испытаний сосудов высокого давления и магистральных трубопроводов, внедрены на предприятиях нефтяной и газовой промышленности.
Система диспетчерского контроля, разработанная для ОАО «Водоканал» обеспечивает оперативный мониторинг температуры и давления в критически важных точках сетей и позволяет контролировать перегрев и переохлаждение воды в сетях водоснабжения г. Якутска. Перегрев сетевой воды даже на 1 градус выливается в ощутимые финансовые потери, исчисляемые в масштабах города Якутска миллионами рублей в год. Оперативный контроль имеет особую важность в зимний период эксплуатации, учитывая периодически наступающие экстремально низкие температуры (-55С), для предотвращения аварийных ситуаций.
Внедрение результатов
1. Акт внедрения № 995 от 17.10.2013 г. в ООО «Якутгазпроект» г. Якутск о внедрении результатов научных работ коллектива авторов из ИФТПС СО РАН, которые использовались для причинно-следственного анализа
повреждений и разрушений газопроводов. Решение комплекса проблем промышленной безопасности на магистральных газопроводах осуществляются с учетом результатов натурных испытаний, проведенных коллективом авторов. Акт внедрения подписан генеральным директором ООО «Якутгазпроект» Харчиком В.А.
-
Акт внедрения от 16.01.2014 г. в ОАО «Водоканал» г. Якутск о внедрении в 2012 г. как результат законченной научно-исследовательской работы, «Автоматизированный комплекс диспетчерского контроля температуры и давления диктующих точек сетей ОАО «Водоканал», утвержденный главным инженером Варфоломеевым Г.Р. Экономический эффект 980 т. р. в год.
-
Акт внедрения от 20.01.2014 г. в ООО НВЦ «Геотехнология» г. Якутск, утвержденный директором Попенко Ф.Е. Экономический эффект 200 т. р. в год.
-
Акт внедрения от 09.06.2014 г. на разработку автоматизированной установки контроля и управления процессом спекания фторопластовых изделий, автоматизированных приборов ИТ-Х-400, ИТ-С-400, результатов экспериментальных исследований теплофизических свойств наполненных фторопластов, мелкодисперсных и ультрадисперсных наполнителей, подписанный директором Института проблем нефти и газа СО РАН член-корр. РАН Сафроновым А.Ф.
-
Акт внедрения от 05.06.2014 г. в ОАО «ЯкутПНИИС», подписанный генеральным директором ОАО «ЯкутПНИИС» Матвеевой О.И.
-
Письмо от 09.10.2014 г. об использовании результатов исследований теплофизических свойств грунтов, отобранных на линейной части магистрального нефтепровода ВСТО-1 для мониторинга и прогнозирования ореола оттаивания и несущей способности грунтов на участках прокладки МН ВСТО-1, подписанный генеральным директором «ТРАНСНЕФТЬ-ВОСТОК» Бронниковым В.А.
Личный вклад автора диссертационной работы
Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично, под его руководством или при его непосредственном участии.
Отдельные эксперименты выполнены при участии сотрудников лаборатории теплофизики ИФТПС СО РАН, которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
Для удовлетворения запросов промышленного и гражданского строительства в районах Севера России с вечномерзлыми грунтами, эффективного применения новых строительных и конструкционных материалов создан и функционирует единый комплекс измерений теплофизических и термомеханических свойств на основе современных компьютерно - измерительных систем, в который входят: - установка метода начальной стадии нагрева пластины
установка по определению тепло физических свойств твердых тел при квазистационарном тепловом режиме
автоматизированные установки и приборы ИТ-А.-400, ИТ-С-400, ИТСМ-1
азотный криостат для градуировки датчиков температуры и давления, прибор для измерения теплопроводности алмазов УКТ-3
двухточечный «зонд Калинина А.Н.»
цилиндрический зонд постоянной мощности, метод определения теплофизических свойств твердых тел в форме пластины в начальной стадии нагрева
стенд натурных испытаний сосудов высокого давления и магистральных труб
комплекс диспетчерского контроля температуры и давления диктующих точек сетей водоснабжения города Якутска
При реализации комплекса установок и приборов разработаны оригинальные методики и получены уникальные результаты:
результаты исследований теплофизических свойств во влажных талых и мерзлых грунтах различного типа в области естественных температур, позволившие выявить закономерности зависимостей от температуры, влажности и концентрации солей и количества циклов замораживания -оттаивания
результаты исследований теплофизических свойств наполненных фторопластов и мелкодисперсных и ультрадисперсных наполнителей
результаты натурных испытаний сосудов высокого давления
результаты мониторинга температурного режима грунтов фундамента крытого стадиона «Триумф» г. Якутск
Достоверность и обоснованность полученных результатов:
Достоверность полученных результатов подтверждена положительными результатами калибровки установок по мерам теплофизических свойств в период их эксплуатации. Меры теплофизических свойств проходили поверку в отделении «Криомет» ФГУП ВНИИФТРИ и обеспечены соответствующими свидетельствами о поверке. Результаты измерений согласуются с экспериментальными данными других исследователей
Апробация работы.
Результаты работы по теме диссертации были представлены и одобрены в 53 докладах международных, всесоюзных и российских конференций по теплофизике, из них наиболее значимые следующие:
IV Всесоюзная научно-практическая конференция "Метрологическое обеспечение теплофизических измерений при низких температурах" (Хабаровск, 1985), Всесоюзная конференция "Методы и средства теплофизических измерений" (Москва, 1987), Всесоюзная конференция по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988), Всесоюзная конференция «Научно-технический прогресс в технологии строительных
материалов» (Алма-Ата, 1990), I Евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002), Международный симпозиум «О природе трения твердых тел» (Гомель, 2002), Вторая Всероссийская конференция «ТЕМПЕРАТУРА 2004» (Подольск, 2004), XI Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005), IV Евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2008), VI Международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010), Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 2010), Четвертая Всероссийская конференция «Температура-2011» (Санкт-Петербург, 2011), XIII Российская конференция по теплофизическим свойствам (Новосибирск, 2011), VII Международная конференция «Проблемы промышленной теплотехники» (Киев, Украина, 2011), П Международная научно-технической конференция «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 2012), IX Международная научно-техническая конференция «Методы и средства измерения физических величин» - «Температура-2012» (Львов, Украина, 2012), VI Евразийский международный симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2013), VIII Международная конференция «Проблемы промышленной теплотехники» (г. Киев, Украина, 2013), X Международная научно -практическая конференция «Тенденции и перспективы развития современного научного знания» (Москва, 2014), X Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современных наук - 2014» (Польша, Перемышль, 2014), X Международная научно-практическая конференция «Передовые научные разработки - 2014» (Чехия, Прага, 2014), X Международный симпозиум по инженерному мерзлотоведению «Инженерно-геокриологические проблемы адаптации природно-технических систем к изменению климата» (Харбин (Хэйлунцзян, Китай), 2014).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 106 работ, среди которых 17 статей в журналах, рекомендованных ВАК, авторское свидетельство на полупроводниковый тензорезистор из моносульфида самария, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа для измерения температуры и давления с использованием термопар и полупроводниковых датчиков на основе моносульфида самария».
Структура и объем работы
Тензометрическая станция «СИИТ-2»
Система «АК-9.02» была создана в начале 2000-х годов в ООО «Термис» и является следующим поколением измерительных систем «Аксамит». Данная разработка также предназначена для проведения теплофизических экспериментальных исследований. Она позволяет проводить многоканальные измерения напряжения и сопротивления, калибровочные и поверочные работы, также имеет выходные каналы для управления процессом эксперимента. Система функционирует под управлением программы на персональном компьютере, к которому подключается через последовательный интерфейс rs-232.
Тензометрическая система «СИИТ-2» была создана в 80-х годах прошлого века на Краснодарском заводе тензометрических приборов. Система служит для многоканальных тензоизмерений и преобразования результатов в цифровом виде. Данная система применялась нами при проведении натурных испытаний трубопроводов и сосудов высокого давления на прочность.
Система СИИТ-2 автоматизирует процесс регистрации и обработки сигналов тензодатчиков, преобразует и отображает полученные значения в цифровом виде при проведении исследований напряженно-деформированного состояния конструкций и сооружений. Данная система предназначается для работы в закрытых помещениях и лабораториях в условиях районов с умеренным и холодным климатом [111].
Технические характеристики СИИТ-2: Поддерживает подключение тензодатчиков тремя способами: по мостовой схеме, полумостовой схеме и четвертьмостовой схеме;
Пределы измерения системы: Для мостовой схемы - + 9999 мкОм/Ом; Для полумостовой схемы - + 19998 мкОм/Ом; Для четвертьмостовой схемы - +41830 мкОм/Ом;
Система поддерживает две частоты измерения: 20 изм/с и 200 изм/с. Номинальная цена единицы наименьшего разряда выходного кода при частоте измерений 20 изм/с составляет: Для мостовой схемы - 1 мкОм/Ом (мкВ/В); Для полумостовой схемы - 2 мкОм/Ом (мкВ/В); Для четвертьмостовой схемы - 4 мкОм/Ом (мкВ/В);
При частоте 200 изм/с составляет: Для мостовой схемы - 10 мкОм/Ом (мкВ/В); Для полумостовой схемы - 20 мкОм/Ом (мкВ/В); Для четвертьмостовой схемы - 40 мкОм/Ом (мкВ/В); Питание измерительных схем осуществляется импульсами прямоугольной формы с частотой 2.5+0.5 КГц и высотой 4.5+0.9 В; Номинальное сопротивление поддерживаемых тензорезисторов - от 100 до 400 Ом; Количество входных измерительных каналов системы в режиме с мостовой и полумостовой схем - до 500 шт. , в режиме четвертьмостовой схемы - до 1000 шт.; Максимальная длина линий связи от системы до тензорезисторов - 140 м; где: Ni - текущее значение результата наблюдений; А = 1 для частоты измерений 20 изм/с и А = 0.1 для частоты измерений 200 изм/с; R -сопротивление тензорезисторов, Ом; ARt - изменение сопротивления тензорезисторов, мкОм; Кс = 1 - для мостовой схемы; Кс = 2 - для полумостовой схемы; Кс = 4 - для четвертьмостовой схемы при условии, что сопротивление активного и компенсационного тензорезисторов равны, приращения их сопротивлений равны и противоположны по знаку. Принцип работы тензометрической системы следующий. Тензорезисторы подключаются к блокам дистанционного релейного переключения (БДРП). Система содержит 10 БДРП, которые управляются блоком распределения (БР) (рисунок 1.4). После блока распределения данные поступают на блок измерения (БИ). Каждый канал имеет свой уникальный адрес, это дает возможность произвольного опроса каналов. Номер запрашиваемого измерительного канала задается от компьютера в блок измерения двоично - десятичным кодом через используемый интерфейс подключения.
Блок измерения обрабатывает поступивший код и формирует управляющий сигнал содержащий номер нужной БДРП номера измерительной схемы канала в данной БДРП. Сформированный сигнал от БИ направляется в БР и далее на нужный БДРП, тем самым, обеспечивая подключение выбранного канала тензорезисторной системы к измерительным линиям. Команда от ЭВМ на запрос канала является одновременно командой запуска блока измерений. Выбранная канал с подключенной тензорезисторной схемой запитывается и начинается процесс измерения, осуществляемый комбинированным методом.
В процессе измерения схема с 4-мя активными тензорезисторами не уравновешивается, а сигнал ее разбаланса усиливается на несущей частоте входным преобразователем, после чего усиливается интегрирующим АЦП. Полученное цифровое значение с АЦП отправляется в ЭВМ, где готовится код номера следующего измерительного канала. Данные процессы повторяются циклически, производя опрос тензорезисторных схем и сохраняя полученную информацию в массив измерительных данных.
Описание рабочей программы измерителя теплопроводности ИТ -X -400
Датчики температуры установки ИТ -X - 400 были выведены и подключены к входному коммутатору КИС «Аксамит-6.25» (рисунок 2.2). Питание установки ИТ -X - 400 подключено через реле, управляемое выходом ЦАП5 КИС «Аксамит-6.25». Разработанная программа управления экспериментом имеет меню, представляющее список режимов работы системы:
В режиме определения тепловой проводимости тепломера Кт измеряются температура на стержне TQ, перепады Я0 и Пт в mV, определяется перепад температуры на образце AT. После десяти измерений рассчитываются средние значения всех трех величин. По температуре отнесения образца TQ =Т + АТ/2 определяются по подпрограммам 6, 7, 8 значения %g, с Kg и см. Далее находится а с по формуле (2.15) и, наконец Кт по формуле (2.17). Далее программа формирует массив данных Т0=Т0(1) и Кт= Кт(1). Заканчивается первый цикл измерений, программа переходит на следующее значение температуры. По окончании эксперимента данные записываются на дискете. Результатом эксперимента является получение полинома Кт.
Программа определения поправки Рк и уточнение тепловой проводимости Кт (образец - медь) Применяются все подпрограммы, используемые программой определения тепловой проводимости тепломера Кт, добавляется подпрограмма полинома Кт от температуры вида: KT = AQ +А1Т + А2Т2 +А3Т3 +А4Т4 +А5Т5 +А6Т6 +А7Т7. В режиме работы внутри цикла измеряются десять значений напряжения абсолютной термопары, дифференциальной термопары образца и перепад на тепломере. В качестве исходных значений принимаются усредненные значения напряжений, определяется температура образца. Далее определяется Рк по формуле (2.16) и уточняется Кт по формуле (2.17), формируется массив данных Т0(1), Кт(1), РкСО- Заканчивается первый цикл измерений, программа переходит на следующее значение температуры. По окончании эксперимента данные записываются на дисковод или винчестер. Результатом эксперимента является получение полиномов по Кт и Рк.
Программа определения теплопроводности полимерных материалов После запуска программы начинается диалог с компьютером. Компьютер запрашивает высоту образца, диаметр образца, его вес. На печать выводятся все введенные данные, площадь сечения образца, его плотность. Измерения аналогичные как в программе определения Кт и Рк, далее определяются ос и PQ после обращений к полиномам КТ=/(Т), Рк =/(Т), используя измеренные значения IIQ, Пт. Теплопроводность образца рассчитывается по формуле:
Исследования удельной теплоемкости наполненных фторопластов проведены на установке, у которой измерительной ячейкой служит прибор ИТ-С-400 [117], выпущенный Актюбинским заводом "Эталон". Образец, имеющий форму цилиндра с диаметром 15+0,1 и высотой 10+0,5мм, помещается в ячейку, которая закрывается крышкой - 6 (рисунок 2.3).
Измерительная ячейка закрывается охранным колпаком - верхней половиной корпуса. Далее ячейка охлаждается до заданной минимальной температуры проходящим через отверстия в охранном колпаке, основании и нагревательном блоке жидким азотом. После достижения заданной минимальной температуры включается нагреватель и измерительная ячейка начинает постепенно разогреваться до максимальной заданной для каждого образца, температуры. В процессе разогрева в охранном колпаке при помощью охранного нагревателя поддерживаются адиабатические условия (нулевая разность температур) между ячейкой и колпаком. Для контроля работы нагревателя используются хромель-алюмелевые термопары, установленные в ячейке и охранном колпаке. В процессе эксперимента производится измерение температуры на основании при помощи КИС «Аксамит-6.25», затем при постоянном измерении температуры ячейки определяется время задержки развития температуры в ячейке от развития температуры основания. Для автоматического регулирования работы охранного колпака и регулирования скорости нагрева измерительной ячейки используется блок питания и регулирования установки ИТ- С-400.
Поток тепла в ячейку с образцом направляется только через нижний тепломер. Утечки тепла и линейность потока обеспечивается адиабатической оболочкой 4 которой закрыты все стороны ячейки кроме нижней (рисунок 2.3).
Градуировка установки проводится в целях экспериментального определения тепловой проводимости тепломера Кт. Процедура градуировки включает в себя пять экспериментов с медной образцовой мерой и пять экспериментов с пустой ячейкой [47]. Формула расчета тепловой проводимости тепломера Кт выглядит следующим образом:
Режим опроса датчиков температуры и значений ПАП представляет служебную процедуру для отладки работы установки. Режимы ввода и вывода предназначены для работы с файлами данных проведенных экспериментов, обработки данных и расчета полиномов постоянных прибора. Процедура "Конец эксперимента" производит последовательность выключения измерителя. Вариант процедуры "Конец эксперимента" также выполняется в процессе программы и по достижении температуры ячейки в 550 К производит выключение установки.
Режим эксперимента с пустой ячейкой В начале выполнения программы подается питание установки ИТ-С-400, далее выполняется калибровка компьютерно - измерительной системы, контроль нулей, производится измерение температуры на ячейке Тс и температуры на тепломере DTH. Система готовится к первому циклу измерений. Инициируются значения переменных N, ТС2, TAU3, ТСЗ, ТС4, DTH1 и таймера путем приравнивания их нулю. Здесь:
Задается уровень температуры ячейки ТС1=ТС+5, запускается счетчик времени, производится измерение температур на тепломере и ячейке, вычисляется перепад температуры на тепломере, сохраняются данные кривой нагрева для последующей обработки методом наименьших квадратов. Цикл работы программы продолжается до достижения заданного уровня температуры ячейки ТС1.
По достижении температуры ТС1 выполняется вычисление скорости нагрева ячейки от температуры ТС до температуры ТС1, определяется средний перепад температуры на тепломере, по формуле (2.41) рассчитывается время задержки температуры на тепломере. На этом первый цикл эксперимента завершается, выводятся на печать и на экран значение средней температуры в ячейке, значение времени задержки температуры на тепломере. Собираются массивы значений TC=TC(I), TAU=TAU(I).
Новый цикл эксперимента начинается снова с выполнения калибровки измерительной системы, контроля нулей, замера температуры на ячейке и на тепломере, инициации переменных и таймера, задания следующего уровня температуры.
После завершения эксперимента сформированный массив значений TC=TC(I), TAU=TAU(I) сохраняется в файле на дисководе. Находится функция зависимости в виде полинома методом линейной регрессии. Полученные коэффициенты полинома заносятся в подпрограмму 2.
Установка начальной стадии разогрева (Измеритель теплопроводности образца в форме пластины)
При строительстве такого крупного объекта, как универсальный спорткомплекс «Триумф» в г. Якутске (рисунок 4.9), вмещающий более 3,5 тыс. человек обеспечение стабильного состояния вечномерзлых слоев грунта под свайным полем является первоочередной задачей. Данный объект является уникальным сооружением, не имеющим аналогов, как первый в мире крытый стадион такого объема, построенный на сваях в условиях вечной мерзлоты [105,106].
Негативными факторами, нарушающими однородность мерзлоты на месте строительства, в данном случае является близость озера Сайсары, на берегу которого расположен данный объект, а также последующее тепловое влияние самого объекта на грунт.
Решением этой проблемы явилось оснащение всей площади строительства сезоннодействующими охлаждающими устройствами (СОУ) (рисунок 4.10)
Сезонно действующее охлаждающее устройство (СОУ) Данные установки выполнены в виде Y-образной полой конструкции из стальных труб диаметром 57 мм (рисунок 4.11) . Надземная часть СОУ раздвоена и оснащена ребрами для увеличения интенсивности теплоотдачи в окружающую среду. Рабочим веществом в СОУ, которое также называют термосифон, является хладон-22. Рабочее вещество находясь под давлением испаряется в нижней части термосифона и конденсируется в верхней надземной части, при низких температурах окружающей среды, стекая вниз, таким образом, осуществляя отвод тепла от окружающего грунта [78]. Такой термосифон работает сезонно в холодное время года, стабилизируя состояние мерзлоты в области установки замораживая неоднородные талые зоны.
Площадь фундамента крытого стадиона 8400 м , примерное число СОУ установленных в фундаменте - около 500 штук. СОУ установлены рядами, расстояние между рядами - около 5-6 метров. Примерное расстояние между соседними СОУ в одном ряду - 3 метра. На рисунке 4.12 представлена схема расположения стадиона, из которой видно, что ближайшее расстояние от стадиона до берега озера составляет около 24 метра.
Перед нами стояла задача непрерывного и продолжительного периодического мониторинга температурного режима грунта по его глубине и определение влияния поля СОУ.
Для проведения работ по мониторингу были оснащены две скважины -термотрубки глубиной около 11 м. диаметром 76 мм и одна гидрогеологическая скважина - глубиной порядка 6 м, диаметром 325 мм. (рисунок 4.12). Ближайшая к озеру скважина находится на расстоянии 36 метра от него. Гидрогеологическая скважина и скважина № 1 пробурены в месте залегания талика. Талик в данной области находится примерно на глубине от 4 до 8 метров
Основной измерительной аппаратурой при проведении мониторинга являлись термологгеры iBDL. Логгер iBDL или High Capacity Temperature Loggers iButton (корпоративное обозначение DS1922L) производства фирмы Maxim представляет собой полностью защищенный энергонезависимый одноканальный электронный самописец в корпусе типа MicroCAN F5, в виде плоского дискового аккумулятора с толщиной 5,89 мм и диаметром по внешней кромке 17,35 мм [69,159] (рисунок 4.13).
Фирма ООО НТЛ «Элин» по нашему техзаданию разработала шлейф-регистратор (рисунок 4.14). Такой шлейф-регистратор, также называемый «термокоса», позволяет опросить все логгеры в цепи через одни интерфейсный разъем в верхней части [104]. Каждый элемент шлейф-регистратора представляет собой логгер в защитной оболочке, залитый эпоксидной смолой (рисунок 4.15) [69,105]. Длина термокосы 11,25 метров, расстояние между соседними элементами - 1,25 метра.
Со считывателя данные выгружаются по интерфейсу USB на персональный компьютер. Далее, разработанное скриптовое приложение обрабатывает полученные файлы данных, группируя их по принадлежности к шлейфам, и выдает конечный отчет в виде таблицы Excel. На данный момент мониторинг проводится уже на протяжении почти 5 лет.
Разработанная методика мониторинга температурного режима грунтов и получаемые с помощью нее данные не только подтверждают эффективность сезоннодействующих охлаждающих устройств, но и выполняют функцию постоянного контроля состояния грунта в фундаменте стадиона, оценивая безопасность эксплуатации сооружения. Кроме того, получаемые данные используются для оценки текущего состояния установок СОУ, в частности для определения необходимости их перезарядки хладагентом, что повышает эффективность использования и экономит расходный материал
Автоматизированный комплекс диспетчерского контроля температуры и давления диктующих точек сетей городского водоснабжения
Схема водоснабжения города Якутска представляет собой сложную разветвленную сеть с последовательной перекачкой и подогревом воды. При этом большая часть магистрального водопровода расположена под землей. Отрицательная температура среды, а также существенные ее колебания приводят к необходимости постоянного контроля температуры и давления сетевой воды, для предотвращения не только перемерзання трубопровода, но и перегрева перекачиваемой воды. Для автоматизации и централизации данного процесса нами была разработана компьютерная система мониторинга температуры и давления в сетях водоснабжения [114].
Система решает следующие задачи: Определение температуры и давления в трубопроводе - основная задача комплекса, для получения численных значений параметров на объектах наблюдения установлены высокоточные промышленные датчики температуры и давления с унифицированным сигналом 4..20 мА.
Индикация значений температуры и давления на объектах - для наблюдения за параметрами непосредственно на объектах установлены индикаторы с цифровым табло, отображающие значения давления и температуры.
Дистанционный централизованный сбор данных - осуществляется специально разработанным приложением автоматически в режиме регулярного опроса с заданным промежутком по времени.
Хранение архива данных - все полученные данные, а также данные о конфигурации комплекса, точках опроса, расписании хранятся в базе данных комплекса.
Визуализация данных - собранные данные представлены в виде мнемосхемы - карты сетей водоснабжения с отображением последних полученных значений на ней с привязкой к точкам на карте. Также есть возможность просмотра архивных данных с усреднением по часам и по суткам в виде графиков и таблиц.
Для решения задачи дистанционной передачи данных была выбрана технология передачи данных CSD (Circuit Switched Data, протокол передачи данных по коммутируемым каналам), которая позволяет передавать поток данных в сотовых сетях GSM [79]. Для применения данной технологии требуется установка GSM - модемов в серверной части и на контроллере -преобразователе на объекте. Модемы соединяются путем дозвона и устанавливают мостовой канал связи для передачи данных. Для функционирования такой системы на удаленной точке необходимо соблюдение двух требований - нахождение в зоне покрытия сотовой связи выбранного оператора и наличие постоянного электропитания. На рисунке 4.18 представлена схема комплекса. Работающее на сервере данных приложение-архиватор через заданные промежутки времени производит последовательный дозвон до каждой из опрашиваемых точек - абонентов. Дозвонившись и установив канал связи сервер через интерфейс rs-232 запрашивает у модуля аналогового ввода данные по каналу температуры и по каналу давления, получив эти данные сервер заканчивает сеанс связи, записывает данные в базу данных и переходит к следующей точке.