Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Классификация и анализ методов измерения плотности теплового потока 16
1.1 Классификация методов измерения плотности теплового потока 16
1.2 Методы измерения плотности теплового потока
1.2.1 Калориметрический метод 18
1.2.2 Электрометрический метод 20
1.2.3 Градиентный метод
1.3 Градиентные датчики плотности теплового потока 23
1.4 Приборы для измерения плотности теплового потока 28
1.5 Метрологическое обеспечение средств измерения плотности теплового потока 35
1.6 Постановка цели и задач исследования 40
ГЛАВА 2. Метод измерений плотности теплового потока в грунте многозонным цилиндрическим термопреобразователем сопротивления 42
2.1 Обоснование метода и определение требований к первичному преобразователю плотности теплового потока 42
2.2 Обоснование выбора конструкции первичного преобразователя плотности теплового потока погружаемого типа 49
2.3 Нестационарный метод измерения теплопроводности грунта 60
2.4 Электротепловое моделирование первичного преобразователя плотности теплового потока цилиндрической конструкции и определение требований к измерительной системы 63 Выводы по главе 2 82
ГЛАВА 3. Система для измерения плотности теплового потока в грунте 83
3.1 Обоснование требований к измерительной системе 83
3.2 Разработка структурной схемы измерительной системы 85
3.3 Схемотехника каналов измерения температуры и теплопроводности 87
3.4 Методика идентификации измерительных каналов 98
3.5 Программное обеспечение измерительной системы 101
3.6 Экспериментальные исследования метрологических характеристик измерительной системы 109 Выводы по главе 3 114
ГЛАВА 4. Метрологичкое обеспечение информационно измерительной системы 116
4.1 Разработка конструкции теплометрической установки источника теплового потока и ее электротепловое моделирование 116
4.2 Регулятор температуры лабораторного источника теплового потока 123
4.3 Обоснование выбора алгоритма автоматического регулирования 135
4.4 Экспериментальные исследования метрологических характеристик управляющей системы 139
4.5 Экспериментальные исследования первичного преобразователя плотности теплового потока погружаемого типа 146
Выводы по главе 4 158
Заключение 159
Список использованных источников 161
Приложения 172
- Калориметрический метод
- Нестационарный метод измерения теплопроводности грунта
- Методика идентификации измерительных каналов
- Обоснование выбора алгоритма автоматического регулирования
Введение к работе
Актуальность. Исследования теплофизики грунтов и тепловых процессов в них актуальны в различных сферах деятельности человека, начиная от научных исследований, например, в области изучения тепловых процессов, обусловленных рассеянием тепла ядра земли, и заканчивая решением практических задач, например, при строительстве зданий и сооружений в зонах вечной мерзлоты, при прокладке трубопроводов, в сельском хозяйстве и других.
В связи с ростом цен на энергоносители и политикой государства, направленной на экономное использование топливно-энергетических ресурсов, актуальна проблема снижения потерь при транспортировке теплоносителей по трубопроводам.
Теплопотери при транспортировке теплоносителей снижают эффективность энергоснабжения. Для ее повышения, в первую очередь, необходимо проводить энергоаудит, определенный законом РФ, указом президента и постановлениями правительства. Для этого нужны измерительные средства, к которым, в частности, могут быть отнесены измерители плотности теплового потока в грунте. Причем, учитывая влияние на тепловой поток в приповерхностных слоях грунта температуры воздуха и других атмосферных факторов, необходимо измерять тепловой поток внутри грунта на определенной глубине.
Выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью датчики теплового потока и измерительные системы на их основе предназначены для измерений поверхностной плотности потока и не могут быть использованы для проведения измерений в объеме грунта, так как геометрическая форма датчиков не позволяет погружать их в грунт. Таким образом, актуальной является разработка метода, первичного преобразователя и системы, которые позволяли бы оперативно измерять плотность теплового потока, вводя датчик в грунт.
Степень разработанности темы. Для измерений плотности теплового потока используются различные методы, основы теории которых изложены в работах Нуннера В., Стюшина Н. Г., Перри К. П., Лельчука В. Л., Витте А. Б. и Харпера Е., Кузнецова Л. А., Сергиевской Т. Г., Мальцева В. В., Питса и Лепперта и других. Наиболее перспективным для измерений рассматривается градиентный метод, основанный на законе теплопроводности Фурье.
Именно он чаще всего используется в коммерческих приборах и системах. Этот метод применяется для измерения фонового теплового потока земли. При этом бурится скважина, извлекается шурф грунта, в скважину опускаются датчики для измерения градиента температуры, а теплопроводность грунта определяется по фрагменту шурфа в лабораторных условиях. Данная модификация метода не может быть использована при проведении энергоаудита теплотрасс из-за сложности реализации.
Работа соответствует приоритетному направлению развития науки и техники Российской Федерации «Энергоэффективность и энергосбережение» и способствует развитию критических технологий «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии», выполнена при поддержке грантами в рамках Программы стратегического развития и проекта № 3.751.2014/К госзадания Минобрнауки РФ на 2014–2016 гг. в ИжГТУ имени М.Т. Калашникова.
Объектом диссертационного исследования является градиентный метод измерения плотности теплового потока.
Предмет исследования - информационное, методическое, программно-алгоритмическое и аппаратное обеспечение измерений плотности теплового потока в объеме грунта от внутренних источников теплоты.
Цель работы – разработка метода и средств измерения плотности теплового потока в объеме грунта от внутренних источников теплоты на основе многозонного термопреобразователя сопротивления, обеспечивающих повышение точности и оперативности измерений.
В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:
-
Обоснование метода измерений и типа первичного преобразователя плотности теплового потока.
-
Определение требований к измерительной системе. Разработка и исследование системы измерений плотности теплового потока в грунте.
-
Разработка компонентов метрологического обеспечения измерительной системы.
-
Проведение экспериментальных исследований первичного преобразователя и системы в лабораторных и полевых условиях.
Научная новина работы:
-
Установлено, что для измерения плотности теплового потока в грунте от внутренних источников тепла, таких как теплотрассы, для исключения влияния суточных колебаний температуры окружающего воздуха и других факторов необходимо заглублять первичный преобразователь в грунт не менее, чем на 0,5 м.
-
Предложена, обоснована, и исследована модификация градиентного метода измерения плотности теплового потока в грунте, основанная на применении трехзонного термопреобразователя сопротивления цилиндрической конструкции, позволяющая оперативно при введении термопреобразователя в грунт последовательно измерять градиент температуры, теплопроводность грунта и производить расчет плотности теплового потока.
-
Предложен новый тип первичного преобразователя плотности теплового потока в виде трехзонного термопреобразователя сопротивления цилиндрической конструкции, в котором чувствительные элементы из медного микропровода выполнены в виде однослойных, разнесенных по длине термопреобразователя, катушек, непосредственно примыкающих к внутренней поверхности защитной трубки, обладающего малой инерционностью, малым в радиальном и большим в осевом термическими сопротивлениями.
-
Разработаны линейные модели и методика идентификации измерительных каналов системы измерения плотности теплового потока в грунте с использованием эталонов сопротивлений и градуировочных характеристик термопреобразователей сопротивления.
-
Разработан лабораторный источник теплового потока с применением многозонного многоканального стабилизатора температуры с совмещенными нагревателями и датчиками температуры в виде термопреобразователей сопротивления, предназначенный для градуировки и поверки первичных преобразователей плотности теплового потока погружаемого типа и системы на их основе, который является неотъемлемой частью метрологического обеспечения измерений.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Доказана возможность реализации градиентного метода измерения плотности теплового потока в объеме грунта на основе применения трехзонного термопреобразователя сопротивления, в котором два чувствительных элемента используются для измерения градиента температуры, а третий, расположенный между ними – для измерения теплопроводности грунта динамическим методом линейно-
го источника тепла. Показаны возможность и особенности реализации основного компонента метрологического обеспечения измерений – лабораторного источника теплового потока с рабочей зоной в виде удлиненного цилиндра – с применением многоканального стабилизатора температуры.
Разработаны конструкция первичного преобразователя погружаемого типа, схемотехника измерительной системы на его основе и ее программное обеспечение, предназначенные для измерения плотности теплового потока в объеме грунта в полевых условиях.
Разработана конструкция теплометрической установки, схемотехника системы управления и программное обеспечение лабораторного источника теплового потока, предназначенного для градуировки и поверки первичного преобразователя плотности теплового потока погружаемого типа.
Методология и методы исследования основаны на теории теплопроводности, электротепловой аналогии, математическом компьютерном моделировании, теории погрешностей, математической статистике, лабораторных и натурных экспериментах. При получении, обработке и оформлении результатов использованы компьютерные программы Micro-Cap, Mathcad, C++ и приложения Microsoft Office.
Положения, выносимые на защиту:
-
При измерениях плотности теплового потока в грунте от внутренних источников тепла, таких как теплотрассы, для исключения влияния суточных колебаний температуры окружающего воздуха необходимо заглублять первичный преобразователь в грунт не менее, чем на 0,5 м.
-
Градиентный метод, основанный на последовательном измерении градиента температуры и теплопроводности грунта с помощью многозонного термопреобразователя сопротивления цилиндрической конструкции погружаемого типа позволяет измерять плотность теплового потока в объеме грунта от внутренних источников теплоты.
3. Первичный преобразователь плотности теплового потока в объеме грунта
реализуется в виде трехзонного термопреобразователя сопротивления, в котором
две зоны используются для измерения градиента температуры в грунте, а третья
зона, расположенная между ними – для измерения теплопроводности грунта. При
этом для снижения методической погрешности измерений и инерционности пре
образователя необходимо обеспечить малое в радиальном и большое в осевом тер-
6
мические сопротивлений между чувствительными элементами и средой, для чего последние должны быть выполнены в виде однослойных, разнесенных по длине термопреобразователя, катушек, непосредственно примыкающих к внутренней поверхности защитной трубки.
4. Измерительная система с трехзонным термопреобразователем сопротив
ления цилиндрической конструкции, принципы ее построения, модели и методика
идентификации ее измерительных каналов позволяют производить измерения
плотности теплового потока в объеме грунта в полевых условиях и в реальном
масштабе времени с разрешением по плотности потока не хуже 0,1 Вт/м2 .
5. Для градуировки и поверки измерительной системы может быть использо
ван лабораторный источник теплового потока, в котором теплометрическая уста
новка представляет собой удлиненный цилиндр и заполнена сухим промытым
речным песком, а система управления плотностью теплового потока выполнена в
виде многоканального стабилизатора температуры с взаимосвязанными блоками
автоматического регулирования и совмещенными датчиками температуры и нагре
вателями в виде термопреобразователей сопротивления.
Степень достоверности. Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математических методов, проверкой адекватности предложенных моделей, подтверждением теоретических выводов методами математического моделирования и экспериментальными исследованиями, воспроизводимостью экспериментальных результатов, оценками погрешностей измерений.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждались на выставках и конференциях: VII выставке сессии инновационных проектов Республиканского молодежного форума (г. Ижевск, 15-16 октября 2009 г, диплом I степени); Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, посвященной 25-летию кафедры Приборы и методы контроля качества (г. Ижевск, 2010 г); Научно-технической конференции факультета «Информатика и вычислительная техника» «Информационные технологии в науке, промышленности и образовании» (Ижевск, 2010 г.); Научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса» (г. Ижевск, 15-18 марта 2010 г.); X выставке сессии инновационных проектов II республиканского молодежного инновационного форума (г. Ижевск, 23-24 ноября 2010 г., диплом I степени); VII Всероссийской
научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в 21 веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15-17 ноября 2011 г); Третьем международном форуме молодых ученых «Education Quality – 2012» (г. Ижевск, 20-22 февраля 2012 г); Республиканской молодежной инновационной выставке-сессии «Наука, инновации» (г. Ижевск, 27-29 ноября 2012г, диплом I степени); Научно-технической конференции факультета «Информатика и вычислительная техника» «Информационные технологии в науке, промышленности и образовании» (Ижевск, 2012 г.); II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященная 60-летию ИжГТУ имени М. Т. Калашникова «Измерение, контроль и диагностика – 2012» (г. Ижевск, 14-16 мая 2012 г); VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященная 60-летию ИжГТУ имени М. Т. Калашникова «Приборостроение в 21 веке» (г. Ижевск, 14-16 ноября 2012 г); Региональной очно-заочной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, промышленности и образовании» (г. Ижевск, 18 мая 2013 г); XI международной научно-технической конференеции «Instrumentation Engineering, Electronics and Telecommunications – 2015» (г. Ижевск, 25-27 ноября, 2015 г.).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 24 работах: из них шесть работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ, одиннадцать – в сборниках научных трудов и материалов конференций. Получено шесть свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ. Получен патент на полезную модель № 129635 «Термопреобразователь сопротивления» и патент на изобретение №2533755 «Термопреобразователь сопротивления (варианты) и способ его изготовления».
Личный вклад автора. Оригинальные исследования, представленные в диссертации, выполнены автором лично.
Выбор приоритетов, направлений, методов исследований, обсуждение результатов, формирование структуры работы выполнены при участии научного руководителя.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, экспериментально проверены работоспособность и эффективность системы, что подтверждено актами внедрения и испытания.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 171 странице машинописного текста. В работу включены 96 рисунков и 39 таблиц, список литературы содержит 100 наименований, в приложениях представлены акты об использовании результатов диссертационной работы и проведении испытаний измерительной системы в полевых условиях.
Калориметрический метод
Теоретической основой калориметрического метода является уравнение первого закона термодинамики [4] AU = Q-A, (1.2.1.1) где AU - изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы; Q - количество теплоты, переданное системе; А - работа совершенная системой над внешними телами. Физический принцип метода заключается в том, что процесс теплообмена между набегающим потоком и калориметром организуется таким образом, чтобы вся теплота Q, подведенная к теплоприемному элементу калориметра известной массы и геометрической формы, затрачивалась на изменение его энтальпии (теплосодержания) при условии отсутствия теплоотвода. В этом случае где т - масса теплоприемного элемента калориметра; с - удельная теплоемкость материала теплоприемного элемента калориметра, взятая при среднемассовой температуре - время экспозиции (протекания) теплового потока. Выражение (1.2.1.2) легко преобразуется к виду удобному для расчета плотности теплового потока, если выбрать соответствующую геометрическую форму, например такую, чтобы расходуемая на его нагревание теплота Q была передана через известную теплоприемную поверхность элемента [5]: где р - плотность материала теплоприемного элемента; F - площадь поверхности, воспринимающей теплоту; 5 - толщина тепловоспринимающей поверхности; AT - изменение температуры калориметра в течение интервала времени измерения Ах.
Важно, чтобы вся поверхность однозначно определяла объем теплоприемного элемента, то есть, чтобы массу тела т можно было представит в виде
Одной из модификаций данного метода является метод, основанный на использовании «скрытой» теплоты парообразования. Тепловой поток определяют по количеству испарившейся или сконденсировавшейся жидкости. Благодаря физическому свойству жидкостей сохранять изобаричность при изотермичности и наоборот, можно добиться постоянства температуры путем сравнительно простого поддержания постоянства давления жидкости, что в свою очередь позволяет создавать разделительные перегородки с нулевым тепловым потоком, то есть изоляторы близкие к идеальным.
Данный метод может быть использован для измерений среднего значения теплового потока по длине трубы, в которой протекает теплоноситель. Исследуемый участок трубопровода заключают в два коаксиальных кожуха, которые питают перегретым паром с одинаковым давлением. Таким образом, стенки внутреннего кожуха не пропускают тепло, единственным потребителем которого оказывается помещенная в него труба. По количеству выпавшего конденсата во внутреннем кожухе при известных параметрах пара можно судить о количестве переданной теплоты и как следствие о плотности теплового потока.
Метод «скрытой» теплоты парообразования был использован В. Нуннером для исследования теплопередачи от длинной трубы в окружающую среду [95]. На основе данного метода Н.Г. Стюшин создал установку для исследования теплообмена при кипении жидкости [71].
Общим недостатком метода является невозможность измерять малые значения тепловых потоков (меньше 103 Вт/м2). Погрешность обычно составляет 4-6% [71].
К калориметрическим так же относится энтальпийный метод, основанный на изменении теплосодержания жидкости под действием теплового потока. Метод сопоставим по точности и возможностям локализации с методом использования «скрытой» теплоты парообразования.
Энтальпийный метод был использован К.П. Перри для исследования теплоотдачи струи горячего газа [96]. Установка представляла собой металлическую плиту, обдуваемую горячим воздухом. На поверхность установки заподлицо устанавливался тепломер, выполненный в виде диска из теплопроводящего материала и имеющий каналы для протекания охлаждающей жидкости. Температура охлаждающей жидкости измерялась хромель-константановой термопарой, по изменению которой определялась измеряемая плотность теплового потока.
Достоинство установки Перри состоит в том, что температуры поверхностей металлических диска и плиты равны, следовательно, тепломер не вносит существенных искажений в картину теплообмена.
Энтальпийный метод был так же использован В.Л. Лельчуком, при исследовании теплообмена в трубе при протекании горячего воздуха [32], А.Б. Витте и Е. Харпером для исследования теплоотдачи от сопл реактивного двигателя [100].
Электрометрический метод основан на использовании электронагревателей, с помощью которых компенсируют измеряемый тепловой поток и по потребляемой нагревателями мощности судят о его значении. Метод обладает высокой точностью измерений, простотой регулирования и компактностью измерительного оборудования, что важно для решения различных теплофизических задач, однако, при его использовании не сохраняется «тепловая история» потока [4]. Электрометрический метод был применен в малоинерционном тепломере ОРГРЕС [11], состоящим из теплоприемника, на верхнюю поверхность которого установлен электронагреватель. Для измерения температуры нагревателя и нижней поверхности тепломера используются два датчика температуры. Тепломер помещен в алюминиевый корпус такой формы, что площадь поверхности, закрываемая тепломером, была равна площади боковой поверхности корпуса.
Принцип действия тепломера следующий. Тепловой поток, подведенный к теплоприемнику, затрачивается на изменение его температуры. В процессе измерений добиваются равенства температуры нагревательного элемента и теплоприемника. Если теплообмен между нагревателем и корпусом не происходит и степень черноты теплоприемника и исследуемого объекта одинакова, то искажением теплообмена происходит только за счет возмущения потока корпусом тепломера, прикладываемого к объекту.
Нестационарный метод измерения теплопроводности грунта
На термических сопротивлениях RТ.Д.R и RТ.Д.Z образуется делитель температуры, в связи с чем, ППР будет занижать измеренное значение градиента. Следовательно, необходимо также обеспечить минимальное термическое сопротивление первичного преобразователя в радиальном направлении.
Так как алгоритм измерения плотности теплового потока предполагает измерение температуры в двух точках грунта, с последующим расчетом градиента температуры на определенном расстоянии, то необходимо использовать два чувствительных элемента (ЧЭ) расположенных на известном расстоянии друг от друга.
Для измерения теплопроводности грунта необходимо использовать отдельный, третий ЧЭ, расположенный между ЧЭ по температуре. Это обеспечит более рациональное использование пространства внутри корпуса ППР и позволит упростить схемотехнику вторичной аппаратуры.
Таким образом, ППР теплового потока должен удовлетворять следующим требованиям: 1. Должен быть выполнен в виде цилиндра; 2. Должен содержать три ЧЭ: два для измерения температуры в двух точках грунта, один – для измерения теплопроводности; 3. Термическое сопротивление в направлении оси симметрии должно быть максимальным, а в радиальном направлении – минимальным.
Для обеспечения максимальной точности измерений градиента температуры в грунте и минимизации аппаратных затрат необходимо использовать ППР температуры с линейной градуировочной характеристикой. В работе [18] показано, что данному требованию удовлетворяют термопреобразователи сопротивления (ТПС) с металлическим ЧЭ изготовленным из медного микропровода. Их градуи-ровочная характеристика может быть представлена в виде линейной функции вида R = RtQ + jT где Rt0 - сопротивление ТПС при 0 С (начальное сопротивление), - коэффициент преобразования температура-сопротивление (температурная чувствительность). ТПС с металлическим ЧЭ обладают высоким разрешением, которое может быть увеличено путем увеличения начального сопротивления или измерительного тока.
Рассмотрим несколько конструкций ТПС. Первая конструкция является каркасной и представлена на рис. 2.2.1 [55]. ТПС состоит из стальной защитной трубки 4, в которую помещена катушка из медного микропровода 3 намотанная в несколько слоев на теплопроводящий каркас 2, находящийся в тепловом контакте с теплоприемником 1. Для центрирования ЧЭ ТПС используется пробка-заглушка 5.
К достоинствам данной конструкции можно отнести высокую технологичность, повторяемость параметров при серийном изготовлении, возможность реализации многозонного ППР с заданным расстоянием между ЧЭ.
К недостаткам - высокое термическое сопротивление в радиальном направлении (на уровне 50 К/Вт) и инерционность (т « 7 с) [13], которая зависит от теп-лофизических параметров теплоприемника и теплопроводящего каркаса.
Термическое сопротивление ППР в радиальном направлении может быть уменьшено путем исключения воздушного зазора между катушкой ЧЭ и стальной защитной трубкой. На рис. 2.2.2 представлена конструкция ТПС с пониженным значением термического сопротивления [56]. ТПС состоит из стальной защитной трубки 3 в которую помещена фторопластовая трубка 4 с расположенной внутри нее катушкой в виде медного микропровода 2. Тепловой контакт катушки с теплоизоляционной заглушкой 1 отсутствует. Выводы катушки 7 через контактные площадки 6, расположенные на изоляторе 5, подключены к соединительным проводам 8.
Фторопластовая трубка, в которую помещен ЧЭ ППР позволяет уменьшить термическое сопротивления до уровня 30 К/Вт [63], что снижает эффект самопрогрева ЧЭ под действием измерительного тока [19, 20]. Инерционность данной конструкции зависит от теплофизических параметров стальной защитной и фторопластовой трубок и составляет около 6 с.
Данная конструкция не позволяет изготовить многозонный ППР, так как его ЧЭ и соединительные провода будут расположены внутри одной фторопластовой трубки и не представляется возможным точно выдержать расстояние между ЧЭ при серийном производстве.
Таким образом, принято решение при разработке конструкции ППР теплового потока использовать в качестве прототипа ТПС каркасной конструкции. На рис. 2.2.3 представлен прототип конструкции ППР теплового потока [38], расстояние между ЧЭ l составляет 0,1 м. Рисунок 2.2.3. Прототип градиентного первичного преобразователя теплового потока: 1 – стальная защитная трубка; 2 - теплопроводящий каркас; 3 – катушка ЧЭ; 4 – воздушный зазор; 5 – теплоприемник; 6 – теплоизоляционная заглушка
Прототип ППР теплового потока состоит из двух ЧЭ 3 расположенных внутри стальной защитной трубки 1. ЧЭ выполнен в виде катушки из медного микропровода, намотанной в несколько слоев на теплопроводящем каркасе 2, находящимся в тепловом контакте с теплоприемником 5. Для центрирования ЧЭ используется теплоизоляционная заглушка 6.
Для исследования процессов, происходящих в системе датчик-среда, и оценки возможности использования предложенной конструкции использован метод моделирования на основе электротепловой аналогии. Разработаны модели для пяти типов сред с различными теплопроводностями. Фрагмент одной из моделей представлен на рис. 2.2.4.
Исследовалась зависимость разности температур ЧЭ ППР от плотности теплового потока. Было получено выражение ATg=A$)q + B(x), (2.2.2) где AT - разность температур ЧЭ датчика, а - плотность теплового потока, А(Х) и В(Х) - коэффициенты, зависимые от теплопроводности X. В таблице 2.2.1 представлены значения коэффициентов А(Х) и В(Х) для сред с различными значениями теплопроводности.
Методика идентификации измерительных каналов
Разрешая выражение (2.4.6) относительно Nx и задавшись допустимой абсолютной погрешностью на уровне - 0,004 Вт/(м К) получаем необходимое число ячеек в осевом направлении Nx =16, NT = 8.
При фиксированном значении Nx проведено повторное моделирование системы датчик-среда, результаты которого представлены в таблице 2.4.5
Аппроксимирующая табличные данные экспоненциальная функция производной абсолютной погрешности моделирования определена с критерием R2 = 0,9955 и выглядит следующим образом:
Таким образом, для обеспечения минимальной погрешности моделирования необходимо разбивать участок грунта в радиальном направлении на 80 слоев, а ЧЭ ППР по температуре и теплопроводности на 8 и 16 ячеек соответственно.
С учетом полученной схемы разбиения построены 5 моделей для грунтов с различными теплопроводностями.
Исследовались процессы, происходящие в системе датчик-среда при измерении теплопроводности грунта. В процессе моделирования получены зависимости температуры ЧЭ №2 от времени. По полученным зависимостям построены графики изменения избыточной температуры ЧЭ №2 от логарифма времени (рис. 2.4.11).
После подачи измерительного тока на ЧЭ в течение примерно 2 секунд изменение избыточной температуры обусловлено процессами распространения тепла в объеме конструктива ППР. Далее характер изменения избыточной температуры ЧЭ определяют, главным образом, теплофизические параметры грунта.
На этом интервале обнаружен одинаковый для всех типов грунтов линейный участок, отмеченный точками А и В (от 40 до 90 с), который может исполь-74 зоваться в качестве измерительного для измерения теплопроводности грунта. В соответствии с методикой измерения теплопроводности грунта проведена серия модельных экспериментов, результаты которых представлены в таблице 2.4.6.
Результаты моделирования процесса измерения теплопроводности Среда Теплопроводность Х, Вт/(м-К) Температуропроводность а-10-6, м2/с Измеренная теплопроводность Хизм, Вт/(м-К) Погрешность измерений, % Песок 0,326 0,400 0,472 44,85 Глина каолиновая 0,734 0,516 1,002 36,51 Глина 0,930 0,556 1,253 34,68 Грунт суглинистый 1,490 0,658 1,962 31,67 Грунтпесчаныйталый 2,0 0,802 2,607 30,37 Как видно из таблицы, существует систематическая погрешность измерений, которая может быть учтена на этапе градуировки ППР. Следует отметить что данная погрешность уменьшается с увеличением тепло- и температуропроводности грунта. Можно сделать предположение, что данный эффект обусловлен несколькими факторами: 1. Имеют место краевые эффекты на торцевых границах ЧЭ ППР, которые обуславливают высокое значение относительной погрешности измерения вследствие невыполнения условия (2.3.13). 2. Первичный преобразователь теплового потока шунтирует грунт, вследствие чего измеряется не теплопроводность грунта, а эффективная теплопроводность системы датчик-среда. С ростом теплопроводности грунта уменьшается шунтирующий эффект и как следствие уменьшается погрешность измерений. На рис. 2.4.12 представлен график зависимости значений теплопроводности
Видно, что после коррекции градуировочной характеристики погрешность измерения не превышает ±1,5%, что позволяет сделать предположение о возможности применения представленной конструкции первичного преобразователя для измерения теплопроводности грунта.
Для определения верхней границы измеряемых значений теплопроводности грунта построена зависимость перегрева среды на измерительном участке от теплопроводности грунта (рис. 2.4.13). Видно, что с высокой степенью достоверности R2 = 0,9999 зависимость может быть аппроксимирована функцией вида АГ А (2.4.10) где А = 0,0844 Вт/м - линейная плотность теплового потока, генерируемая ЧЭ №2 при измерительном токе 46 мА.
Выражение (2.4.11) может быть использовано для расчета минимальной необходимой разрешающей способности измерительной аппаратуры. При А = 0,0844 Вт/м ,К = 5,Х = 3, расчет дает значение AТ = 0,006 К.
В режиме анализа по постоянному току измерялась разность средних значений напряжений в ячейках ЧЭ №1 и №3, численно равных их средней температуре, от плотности теплового потока в грунте. Установлено, что зависимость имеет линейный характер и может быть представлена в виде АГ
Обоснование выбора алгоритма автоматического регулирования
Программное обеспечение измерительной системы для ПК управляет работой системы, обрабатывает и визуализирует измерительную информацию. ПО реализовано в виде многопоточного приложения с поддержкой модулей расширения (рис. 3.5.2).
Основной поток приложения обеспечивает работу пользовательского интерфейса программы и управляет работой потока ядра. Поток ядра отвечает за взаимодействие с измерительной системой: отправляет команды и обрабатывает ответы, считывает измерительную информацию. За обработку измерительной ин-104
формации отвечает модуль расширения, который получает ее от потока ядра. После обработки измерительной информации модуль расширения записывает ее в аккумулятор и визуализирует, используя основной поток. Менеджер модулей расширения отвечает за поиск и загрузку поддерживаемых модулей.
Работа с устройством начинается с выбора пункта меню «Файл - Установить соединение» главного окна программы (рис. 3.5.3). В этот момент происходит установка связи с измерительной системой и тестирование соединения. Если тестирование завершено успешно, то программа переходит в режим ожидания команды пользователя.
Для начала измерения необходимо выбрать пункт меню «Измерение - Новое измерение», после чего необходимо выбрать требуемый модуль расширения и нажатием на кнопку «ОК» запустить его. Окно настроек модуля расширения вызывается нажатием на кнопку «Настройка». Окна выбора модуля расширения и настроек одного из них приведены на рис. 3.5.4 и 3.5.5 соответственно.
Для исследования метрологических характеристик, отладки и градуировки системы разработан отладочный модуль (рис. 3.5.6). Модуль позволяет выводить измерительную информацию в виде десятичных кодов АЦП, сопротивления и температуры. Поддерживается одновременная работа с тремя измерительными каналами.
Для измерения плотности теплового потока, используется специализированный модуль (рис. 3.5.7), который поддерживает работу в автоматическом и полуавтоматическом режимах. Автоматический режим используется для проведения длительных экспериментальных исследований и не требует участия оператора для запуска процесса измерения, его остановки, обработки и сохранения информации. От оператора требуется задать длительность цикла измерения, период измерений и временной участок для обработки экспериментальных данных.
Модуль измерения теплопроводности грунта (рис. 3.5.8) так же может работать в автоматическом и полуавтоматическом режимах.
Автоматизация процесса измерения позволила значительно снизить трудозатраты на проведения экспериментальных исследований.
По методике идентификации параметров измерительного канала была проведена серия экспериментальных исследований для определения коэффициентов а, р и у каналов измерительной системы. Вместо ТПС использовался магазин сопротивлений Р4830/1 с погрешностью ±0,05% [34]. Магазин сопротивлений подключался к измерительной системе линией связи длиной 0,5 м. Эксперимент проводился в течение нескольких дней в условиях присутствия значительных промышленных помех.
В таблицах 3.6.1 и 3.6.2 представлены результаты экспериментальных исследований каналов измерения температуры №1 и №2 соответственно. АЦП настроен на разрешение в 18 разрядов.
Здесь и далее при обработке экспериментальный данных в таблицах погрешность определена как отношение СКО к среднему значению величины с учетом коэффициента Стьюдента и представляет собой неопределенность по типу А.
Видно, что погрешность определения коэффициентов не превышает 0,02%, что позволяет сделать вывод о высокой временной стабильности параметров измерительных каналов.
Для каналов измерения температуры №1 и №2 расчет по формуле (3.6.1) дает значение разрешающей способности на уровне 0,00008 Ом, что для ТПС номинальным сопротивлением 50 Ом соответствует чувствительности по температуре на уровне 0,0004 К. Полученные значения в точности соответствуют расчетным параметрам измерительного канала (табл. 3.3.1).
Для канала измерения температуры №1 была проведена проверка временной стабильности значений коэффициентов а, 3 и у. Как и в предыдущем случае
использовался эталонный магазин сопротивлений Р4830/1. Эксперимент проводился в течение нескольких дней, при этом значения сопротивлений отличались от используемых при градуировке системы. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 3.6.4.
Таблица 3.6.4 Погрешность градуировки канала измерения температуры № №12 3 4 5 Эталонное значениеRtэт , Ом Измеренное значениеRtизм , Ом Погрешность, % 39,99409 -0,015 44,98587 -0,031 49,99485 -0,010 54,98863 -0,021 59,99393 -0,010
Из таблицы видно, что измеренные значения сопротивлений отличаются от заданных не более чем на минус 0,031%. Следовательно, можно сделать вывод о том, что предложенная методика идентификации измерительного канала может быть использована при градуировке измерительной системы, а точность градуировки определяется точностью эталона.