Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Средства разработки систем автоматизации физического эксперимента (АФЭ) 10
1.1 Принципы построения систем АФЭ 10
1.2 Датчики и преобразователи 16
1.3 КИС «Аксамит 6.25» 27
1.4 Система контроля и сбора данных «АК 9.02» 29
1.5 Тензометрическая станция «СИИТ-2» 30
1.6 Преобразователь сигналов «ТЕРКОН» 31
1.7 Термостат «КРИО-ВТ-05-01» 35
1.8 Язык программирования Turbo Pascal и среда визуальной разработки Borland Delphi 36
Глава 2. Автоматизированный комплекс для измерения теплопроводности методом цилиндрического зонда постоянной мощности 39
2.1 Теория цилиндрического зонда 39
2.2 Описание автоматизированной установки 44
2.3 Результаты измерений 47
Глава 3. Автоматизация измерений теплопроводности алмазов на базе прибора УКТ-3 49
3.1 Теплопроводность алмаза 49
3.2 Метод стягивания теплового потока 52
3.3 Автоматизация прибора УКТ-3 55
Глава 4. Автоматизация измерений теплопроводности материалов на базе установки ИТСМ-1 58
4.1 Установка ИТСМ-1 58
4.2 Автоматизация установки 61
Глава 5. Автоматизированный комплекс для низкотемпературных натурных испытаний сосудов высоких давлений 64
5.1 Методика испытаний . 64
5.2 Автоматизация комплекса 67
5.3 Результаты испытаний 71
Глава 6. Мониторинг температурного режима грунтов 79
6.1 Объект исследования 79
6.2 Средства для осуществления мониторинга 81
6.3 Данные мониторинга 84
Заключение 88
Список использованной литературы
- Система контроля и сбора данных «АК 9.02»
- Описание автоматизированной установки
- Метод стягивания теплового потока
- Автоматизация комплекса
Система контроля и сбора данных «АК 9.02»
Датчики изготавливаются ФТИ им. А. Ф. Иоффе, там же они проходят предварительную градуировку в широком диапазоне температур и давлений.
Для повышения точности для каждого такого датчика давления производится индивидуальная градуировка. Температурная градуировка данных датчиков осуществлялась с применением описанного выше низкотемпературного криостата. Градуировка зависимости сопротивления от давления производилась в специально разработанной установке в диапазоне до нескольких десятков атмосфер.
Данная установка представляет собой герметичную камеру высокого давления с установленным на ней цифровым преобразователем давления АИР -20/М2 (Рис. 15). Внутрь камеры помещается измерительная ячейка с термометрами и барорезисторами. Для регулировки температуры используется КИС «Аксамит 6.25». Цифровой сигнал с преобразователя давления также поступает в компьютер через последовательный порт. В камеру нагнетается необходимое максимальное давление и затем, стравливая давление вручную через выходной клапан с определенным шагом и каждый выстаивая ячейку I внутри камеры фиксируются показания сопротивлений барорезисторов, кх температура и показания преобразователя давления. Медная ячейка, в которую помещаются термометры и барорегисторы Манометр Установка для градуировки барического коэффициента датчиков давлений Полученная таким образом таблица значений обрабатывается и выводится усредненный барический коэффициент. 1.3 КИС «Аксамит 6.25» Система «Аксамит 6.25» была разработана в 90-х годах прошлого века фирмой ООО «Термис» и является нашим основным инструментом при разработке автоматизированных теплофизических измерительных комплексов.
Данная система предназначена для измерения напряжения постоянного тока, измерения сопротивления, математической обработки результатов и управления процессом измерений [77] и может применяться для: 1) создания многоканальных систем измерения температуры, тензометрических систем, систем градуировки преобразователей физических величин (типовое применение); 2) оперативного контроля сложных технологических процессов; 3) управления физическим экспериментом; 4) создания комплексных лабораторных работ по различным видам измерений (в учебных заведениях).
Система снабжена программным обеспечением и программными библиотеками на языке Turbo Pascal. Работа с системой реализуется с помощью нескольких функций, процедур и объектов, описанных в данных программных библиотеках. Преимущества системы «Аксамит 6.25»: - Высокая точность входных каналов системы обеспечивает отличное качество регистрации при измерении температуры. - Многоканальность системы позволяет подключать до 16-ти датчиков. - Наличие выходных каналов с высокой дискретностью установки напряжения и наличие источников тока позволяют разрабатывать системы управления процессом эксперимента - Программные библиотеки, с помощью которых можно разрабатывать управляющие и считывающие приложения, что значительно расширяет возможности системы. Недостатки системы: - Отсутствие программных библиотек для 32-х разрядных визуальных сред разработки в среде Windows - Фирма-производитель прекратила свое существование, и соответственно, поддержку данных систем. 1.4 Система контроля и сбора данных «АК 9.02» Система АК-9.02 была разработана в начале 2000-х годов и является следующим поколением измерительных систем ООО «Термис» и также предназначена для измерения напряжения и сопротивления в цепях постоянного тока, поверочных работ, регулирования внешних объектов, управляемых напряжением. Система функционирует под управлением программы на внешнем компьютере, который посылает команды по последовательному интерфейсу и получает от системы данные измерений.
Описание автоматизированной установки
Зондовые методы определения теплофизических характеристик основаны на закономерностях температурного поля, создаваемого линейным источником тепла, погруженного в исследуемую среду. При этом ведется учет количества выделяемого зондом тепла или регистрируется изменение температуры зонда і или среды. По этим данным определяются тепловые характеристики среды.
Зонды имеют плоскую, сферическую, цилиндрическую и др. формы. Для исследования тепловых свойств мерзлых пород наиболее удобными являются цилиндрические зонды. Это обусловлено простотой внедрения их в исследуемую среду без существенного нарушения её структуры и возможностью достижения лучшего термического контакта со средой.
Общая идея зондовых методов состоит в задании определенного режима нагрева зонда и последующей регистрации температуры на некотором расстоянии от зонда, либо на поверхности самого зонда. Зная решение обратной задачи теплопроводности, вычисляется значение А, исходя из полученной термограммы [44].
Методы цилиндрического зонда используют ту же теоретическую основу, что и весьма популярные методы нагретой нити (в англоязычных источниках Hot Wire или Hot Strip [101, ПО, 114, 115, 117, 123]. Обратная задача решается в цилиндрических координатах, при этом размеры зонда или нити принимаются за бесконечные [98].
В зависимости от поддерживаемого режима нагрева зонды разделяются на изотермические, остывающие, мгновенной и постоянной мощности.
Метод изотермического цилиндрического зонда. Погруженный в испытываемую среду цилиндрический источник тепла поддерживается при постоянной температуре Т0. Данный метод позволяет определить коэффициент температуропроводности среды .
Метод мгновенного цилиндрического источника также позволяет определить только коэффициент температуропроводности. Для этого цилиндрическому источнику тепла, помещенному в среду в момент времени t=0 сообщается тепловой импульс. Производится измерение времени наступления максимума температуры на некотором расстоянии от источника тепла.
Остывающий цилиндрический зонд помещается в среду уже нагретым до определенной температуры То, Зная теплоемкость зонда для него решается внешняя обратная задача.
Основными недостатками этих методов, затрудняющих практическое использование их для изучения тепловых свойств мерзлых горных пород в полевых условиях, являются: 1) Необходимость табулирования несобственного интеграла (изотермический зонд). 2) Внедрение в среду дополнительного датчика температуры и точное измерение расстояния между ним и зондом. 3) Невозможность проведения опытов в мерзлых породах при небольших отрицательных температурах, так как для точного измерения температуры необходимо давать большой нагрев зонда, что может привести к фазовым переходам поровой влаги.
Цилиндрический зонд постоянной мощности. Известно несколько вариантов метода, основанного на применении зондов с постоянной мощностью. Теория этих методов заключается в следующем. Линейный источник тепла в виде бесконечно длинного стержня бесконечно малого диаметра помещается в среду, имеющую в начальный момент времени нулевую температуру. Тогда значение температуры Т в среде на расстоянии R от источника тепла представляется в виде т= мощность теплового источника на единицу длины — Ei(—x) и J(x) - интегральные показательные функции. Метод Ван-дер-Хелда и Ван-Дрюнена. Метод впервые был предложен американскими теплофизиками Стольхане и Пиком в 1931 г. В дальнейшем он был усовершенствован и применен сначала для жидкостей, а затем и для дисперсных тел Ван-дер-Хелдом и Ван-Дрюненом.
Методика определения теплофизических коэффициентов заключается в следующем. Для больших значений критерия Fo=at/R приближенное решение уравнения (1) имеет вид Ч\ , 4at R (2) Как видно из формулы (2) зависимость Т от ln(t) выражается прямой линией, по углу которой можно определить коэффициент теплопроводности Чі я = (3) 4яг Т2 - Тх Пересечение прямой с осью абсцисс (ln(t)) дает отрезок, численно равный In 4at cR О; отсюда находится коэффициент температуропроводности а cR At гдес=1,7812 (4) При конструировании зонда удовлетворить все теоретические предпосылки практически невозможно. Поэтому допускаются ошибки за счет: а) конечного диаметра зонда; б) конечной длины зонда; в) различия тепловых характеристик зонда и исследуемой среды; г) термического сопротивления между зондом и средой. Ошибки за счет конечного диаметра зонда, имеющего одинаковые со средой тепловые свойства, можно оценить. Тепловой поток с поверхности зонда радиуса R равен
Метод стягивания теплового потока
Эти оценки показывают, что если наименьший из размеров тела таков, что выполняется соотношение а 10г, то его можно считать полубесконечным и выражение (14) справедливо. Рассмотрим тепловое сопротивление тракта нагреватель — алмаз — наконечник алмазной иглы. Поток тепла Qi входит в центральную площадку алмаза, площадь которого равна а, затем растекается по всему поперечному сечению образца. Выделившийся тепловой поток Q2 в пятне контакта между кристаллом алмаза и наконечником иглы из безазотного алмаза стягивается медным теплоотводом. Главный элемент устройства, отличающий его от других стационарных методов, является алмазный наконечник со сферическим закруглением и наличием устройства, позволяющее прижимать его к исследуемому кристаллу алмаза с усилием, достаточным для упругой деформации, в результате чего создается зона близкого к идеальному контакту. Радиус этой зоны г контролируется с помощью микроскопа.
Измерение предполагает наличие только двух плоскопараллельных плоскостей. При этом желательно, чтобы плоскость, примыкающая к теплостоку, для улучшения теплового контакта имела специальное металлическое покрытие. Устройство измерения теплопроводности алмазов требует предварительной калибровки на образцовых алмазах с известными коэффициентами теплопроводности, поскольку только величины Q и радиуса зоны теплового контакта г могут быть определены, и использоваться в формуле (14).
При включении установки транзистор разогревается до температуры Ті , а игла охлаждается до температуры Т2 . Исследуемый образец (алмаз) помещают между наконечником иглы из беззазотного алмаза и алмазным столиком вмонтированным в транзистор, после чего система автоматической обратной связи поддерживает разность температур AT = Тх - тг неизменной, при этом мощность нагрева транзистора увеличится на величину [91] AQ = I3aAU , (15) где 1Э- ток эмиттера; а - коэффициент передачи по току транзистора, AU-изменение напряжения на коллекторе транзистора. Тепловое сопротивление тракта между эмиттером транзистора и термодатчиком равно 1 АТ где AT = Г, -т2; В - коэффициент (В = л); А. - теплопроводность алмазного образца; а - радиус площади контакта иглы и образца; яп- последовательное термическое сопротивление всех элементов между эмиттерным переходом транзистора — нагревателя, являющегося датчиком температуры, и эмиттерным переходом транзистора, за исключением теплового сопротивления стягивания образца 1 / В Я а.
Формулы (24) и (25) используют при градуировке алмазного прибора. 3.3 Автоматизация прибора УКТ-3
Для увеличения точности, повышения удобства и оперативности измерений теплопроводности алмазов с помощью данного метода, нами была проведена автоматизация измерительного прибора УКТ-3 разработанного в ПШАлмаззолото [91, 92], действующего с использованием описанного выше метода.
Автоматизация была произведена с использованием компьютерно-измерительной системы (КИС) «Аксамит 6.25». Схема автоматизированной установки определения теплопроводности алмазов приведена на рис. 22.
Перепад температуры между иглой и нагревателем измеряется термопарой и поступает на 21 канал КИС. Температура иглы измеряется абсолютной термопарой , холодный конец которой находится в тающем льду. Нагреватель -транзистор подключен к источнику питания. Мощность его регулируется КИС через ЦАПІ. Элемент Пелтье , охлаждающий иглу, также подключен к источнику питания и регулируется через управляющий транзистор через выхода ЦАП2.
Была разработана программа на языке Turbo Pascal. Программа управляет процессом эксперимента, поддерживая постоянный перепад температур между алмазной иглой и транзистором методом ПИД-регулятора, то есть, уменьшая или повышая напряжение на транзисторе или элементе Пелтье.
Блок-схема управляющей программы. Также программа проводит измерения электрического напряжения на датчиках с помощью коммутаторов, измеряет напряжение на образцовых резисторах, рассчитывает ток через коллектор транзистора, мощность и производит обработку по формулам (22), (24), (25) для получения конечного результата в виде конкретного значения теплопроводности образца. С помощью этой программы была проведена градуировка автоматизированной установки на двух эталонных алмазных образцах: 1- масса 0,04 кар. А,=980 Вт/(м К) и 2- масса 0,04 кар. Л,=1894 Вт/(м К), и полученны градуировочные постоянные.
Автоматизация комплекса
Комплекс производит измерение и регистрацию внутренней и внешней температур сосуда, давления внутри сосуда и деформации его стенок в режиме реального времени. В качестве датчиков температуры используются термопары, датчики давления представляют собой барорезисторы на основе моносульфида самария. Для измерения упругих деформаций используются тензодатчики, представляющие собой приклеиваемые тензорезисторы КФ-5 с сопротивлением 100 Ом и базой 5 мм. Измерение пластических деформаций осуществляется с помощью датчиков перемещения, смонтированных по мостовой схеме из тензодатчиков сопротивлением 400 Ом. Регистрация данных термопар и датчиков давления проводится с помощью КИС «Аксамит 6.25», а датчиков перемещения и тензодатчиков с помощью ИИС «СИИТ 2».
Для автоматической регистрации данных в процессе эксперимента написана программа на языке Turbo Pascal 7.1 (рис. 30).
Блок- схема регистрирующей программы Программа использует механизм адаптивного опроса, т.е. выполняет опрос всех датчиков с максимально возможной частотой и производит запись данных в файл только при наличии превышающих заданную величину изменений. Интерфейс программы представляет собой графическое окно с четырьмя графиками данных по времени (температура, давление, перемещение и деформация).
Программой предусмотрена также возможность калибровки КИС «Аксамит 6.25» по образцовому сопротивлению в процессе эксперимента и возможность перехода к увеличенному виду одного из четырех графиков. Результаты измерений записываются в виде блоков первичных данных (по 10 опросов в каждом блоке) в типизированный файл с расширением «.dat».
Программа считывает из файлов данных первичную информацию и преобразует ее в четыре графика параметров. Помимо графиков, программа выводит листинг всех данных по блокам. В программе также реализована возможность зуммирования графиков до необходимого пользователю масштаба и возможность выбора отображаемых данных из списка. 5.3 Результаты испытаний.
При испытаниях пяти сосудов распространение трещины во всех случаях инициировалось от надреза. Длительность экспериментов составляла от 8 до 25 ч в зависимости от длины надреза. Экспериментальные результаты по исследованию макроскопических закономерностей разрушения стали 45 при быстром распространении и ветвлении трещин приведены в таблице 1 и на рис. 32..
По показаниям тензодатчиков упругая поперечная деформация достигала 0,2 % при давлениях 38, 32, 30, 18 МПа для сосудов с надрезами 50, 60, 70 и 90 мм соответственно; далее развивалась пластическая деформация. Продольная деформация до разрушения сосуда оставалась в пределах упругой области.
По показаниям термопар усредненные значения температур составляли: наружного воздуха -16 С, стенки сосудов в момент разрушения -5...-6 С, внутри сосуда в момент разрушения -3...-4 С, что сравнимо с условиями эксплуатации подземных магистральных трубопроводов в криолитозоне.
Для определения механических характеристик ат и ав были проведены стандартные испытания на растяжение плоских образцов из металла сосудов на универсальной испытательной машине Zwick Z600 при комнатной температуре. Значения от и ав принимались как среднее по результатам испытаний трех образцов, вырезанных из каждого сосуда, и составили 396 и 659 МПа соответственно. Радиусы R и толщины стенок сосудов t измерялись в трех сечениях по длине сосуда с точностью до 0,5 и 0,1 мм соответственно. В расчетах использовались их средние значения, которые равнялись 110 и 7,8 мм соответственно. Длины поверхностного дефекта измерялась с точностью до 0,1 мм.
Номинальное разрушающее напряжение стр вычислялось по формуле (27) [22] -1 (У — У р (27) d М, где о" — усредненное напряжение пластического течения материала, d — глубина поверхностного дефекта, t — толщина стенки сосуда, а параметр MF, называемый поправкой Фолиаса. MF = /2 (28) ARt 1 + 1,61 Где / - длина надреза; R — радиус сосуда; t — толщина стенки сосуда. Экспериментальные разрушающие напряжения сгр определялись из диаграммы растяжения образцов по значениям относительных окружных деформаций ев при разрушении сосудов. Отклонение между сгрэ и сгр не превышало 13 %.
Из экспериментальных данных видно, что в этом случае наблюдаются следующие закономерности разрушения: - режим распространения трещин в сосудах зависит от уровня номинального разрушающего напряжения тр: при с, 422 МПа (Рр 23 МПа) трещина распространяется прямолинейно, без ветвления; при сгр 444 МПа (Рр 31 МПа) наблюдается разделение трещины на две ветви (рис. 33). Зависимость разрушающего напряжения ур от длины надреза / приведена на рис. 34; - расстояние от надреза до точки ветвления трещины L зависят JP\ с повышением стр уменьшается L (рис. 35). Таблица 1.
