Введение к работе
Актуальность. Потребность в измерении теплофизических параметров (ТФП) веществ и материалов в настоящее время существует во многих областях науки и техники. Достоверные данные о ТФП грунта необходимы и важны для приоритетных направлений, связанных с проблемами энергосбережения, в строительстве объектов различного назначения, в нефтегазовой промышленности и т.д. Для перечисленных областей актуально знание ТФП грунта в реальных (полевых) условиях, так как некорректный их выбор при проектных расчетах может привести к снижению работоспособности и к возникновению аварийных ситуаций при эксплуатации сооружений.
Выпускаемые современные приборы российского и иностранного производства в большинстве случаев предназначены для измерения ТФП твердых материалов и ориентированы на исследование тепловых свойств на образцах определенных размеров и формы. Применительно к измерению ТФП грунта это означает, что большинство приборов предназначены для использования в лабораторных условиях.
Задача определения ТФП грунта имеет специфические особенности в связи с тем, что структура грунта отличается от структуры сплошного твердого тела. Во многих случаях необходимо знание ТФП грунта не в одной точке, а, например, на разной глубине от поверхности, а также в зависимости от времени и параметров окружающей среды.
Для решения этой задачи из всего многообразия существующих методов измерения ТФП веществ и материалов перспективно использование зондовых методов, основы теории которых изложены в работах А.В. Лыкова, А.Ф. Чудновского, М.А. Каганова, Л.Ф. Янкелева, Г.М. Волохова, В.П. Козлова, I.H. Blackwell и др. Специфика этих методов состоит в том, что они основаны на решениях задач теплопроводности о действии источника (зонда) постоянной мощности или импульсного источника тепла в неограниченной среде. При этом конструкция зонда может иметь свои особенности, определяемые предметом исследования. Для исследования ТФП грунта и почв находят применение зонды плоской, цилиндрической и сферической конструкции. Наличие в зондах раздельных нагревателей и датчиков температуры усложняет их конструкцию, особенно при использовании в полевых условиях.
Исключить этот недостаток возможно за счет совмещения в одном элементе зонда функций нагревателя и датчика температуры, например, применяя термопреобразователь сопротивления (ТПС). В этом случае ток нагрева зонда одновременно будет являться измерительным током ТПС. Увеличение тока нагрева повышает мощность нагревателя и точность измерения температуры вследствие возрастания чувствительности ТПС.
При измерении в полевых условиях необходимо снижать время измерений для уменьшения влияния параметров окружающей среды. При этом возникает необходимость повышения разрешающей способности аппаратуры по измеряемой темпе-
ратуре и увеличения быстродействия метода. Поэтому разработка и совершенствование зондовых методов для измерения теплопроводности грунта является актуальной задачей.
Целью данной работы является разработка зондовых методов на основе термопреобразователей сопротивления, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышение быстродействия при измерении теплопроводности грунта в полевых условиях.
В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:
Разработка зондового метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта на основе ТПС цилиндрической конструкции.
Разработка нестационарного метода определения теплопроводности грунта на основе ТПС.
Экспериментальные исследования предлагаемых зондовых методов измерения теплопроводности грунта в лабораторных и полевых условиях.
Разработка системы для измерения теплопроводности грунта на основе результатов исследования зондовых методов.
Объектом исследования являются зондовые методы измерения теплопроводности грунта на основе термопреобразователей сопротивления цилиндрической конструкции с чувствительным элементом из медного микропровода.
Предмет исследования - информационное, методическое и аппаратное обеспечение измерений теплопроводности грунта.
Методами исследования являются методы стационарной и нестационарной теплопроводности, математическое моделирование на основе компьютерных электрических моделей, методы аналогий, теории погрешностей, статистические и экспериментальные методы. В процессе исследований, при обработке и оформлении результатов использованы компьютерные программы Micro-Cap, Mathcad, язык программирования C++ и приложения Microsoft Office.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждаются корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов методами математического моделирования и экспериментами, воспроизводимостью экспериментальных результатов и использованием при экспериментальных исследованиях аттестованных средств измерений, многократным измерением с использованием эталонных образцов, оценками погрешностей исследований.
Научная новизна работы заключается в том, что:
впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность реализации метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта зондом цилиндрической конструкции на основе ТПС;
разработана электротепловая модель системы датчик-среда, на основе которой разработан алгоритм измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара;
разработан алгоритм обработки данных, основанный на определении асимптоты температуры ТПС, позволяющий сократить время измерений теплопроводности методом неограниченного шара;
предложена модификация нестационарного метода линейного источника тепла на основе ТПС из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции; разработаны и исследованы модели измерительного зонда;
- путем компьютерного моделирования и экспериментально подтверждена
возможность реализации нестационарного метода цилиндрического зонда на осно
ве ТПС из медного микропровода для измерения коэффициента теплопроводности
грунта;
- обоснованы требования к системе измерения теплопроводности грунта в по
левых условиях для реализации стационарного и нестационарного методов цилин
дрического зонда на основе ТПС.
Практическая значимость работы заключается в разработке измерительных зондов цилиндрической конструкции на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода и методик измерения теплопроводности грунта по методу неограниченного шара и нестационарному методу цилиндрического зонда в полевых и лабораторных условиях, в разработке измерительной системы с улучшенными метрологическими характеристиками и программного обеспечения для реализации методов измерений с использованием современных средств вычислительной техники.
Положения, выносимые на защиту:
Зондом цилиндрической конструкции с совмещенными нагревателем и датчиком температуры в виде термопреобразователя сопротивления возможно измерение теплопроводности грунта путем измерения термического сопротивления системы зонд-грунт, последующего выделения термического сопротивления грунта и расчета значения теплопроводности. Применение алгоритма обработки данных, основанного на определении асимптоты температуры ТПС, позволяет сократить время измерений до 3 раз.
Совмещение функций нагревателя и измерителя температуры в одном элементе зонда упрощает его конструкцию, повышает чувствительность по измеряемой температуре и позволяет снизить необходимый уровень нагревания грунта и энергозатраты на проведение измерений в полевых условиях.
По динамике температуры нагревателя цилиндрического зонда возможно определять теплопроводность грунта при условии, что инерционность зонда ниже инерционности грунта, вовлекаемого в измерения. Для уменьшения времени измерений необходимо уменьшать тепловую инерционность цилиндрического зонда.
Предложенные электротепловые модели цилиндрического зонда каркасной и бескаркасной конструкции и системы зонд-среда пригодны для исследования тепловых процессов при измерении теплопроводности грунта. Разработанные цилиндрические зонды и информационно-измерительная система пригодны для из-
мерения теплопроводности грунта статическим методом неограниченного шара и динамическим методом линейного нагревателя в полевых условиях.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях: Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2010» (г. Одесса, декабрь 2010); 17-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 24-25 февраля 2011 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2 декабря 2008 г.); 1-ой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, посвященной 25-летию кафедры «Приборы и методы контроля качества» (г. Ижевск, 22-23 апреля 2010 г., диплом 2 степени); 4-ой ежегодной научно-технической конференции факультета «Информатика и вычислительная техника», посвященной 50-летию кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ (г. Ижевск, 25 апреля 2009 г.); 8-ой выставке-сессии инновационных проектов республиканского молодежного форума (г. Ижевск, 15-16 октября 2009 г., диплом 1 степени); научно-технической конференции факультета «Информатика и вычислительная техника» ИжГТУ «Информационные технологии в науке, промышленности и образовании» (г. Ижевск, 24 апреля 2010 г.); научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» ИжГТУ (г. Ижевск, 15-18 марта 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 6 публикаций в сборниках трудов конференций. По результатам исследований получены патент РФ № 105442 Ш, кл. G01K7/16 «Термопреобразователь сопротивления» и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613302 «Программа управления измерениями теплопроводности грунта».
Личный вклад автора. Модели, алгоритмы и методики, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично.
Макет прибора, используемый при экспериментальных исследованиях, разработан коллективом кафедры «Вычислительная техника» при участии автора.
Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнено при активном участии научного руководителя д.т.н., профессора Куликова В. А.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде макета системы используются на кафедре «Вычислительная техника» ИжГТУ в научной и учебной деятельности бакалавров и магистрантов направления «Информатика и вычислительная техника»; результаты использованы в проектно-конструкторских работах ООО «ВентИндустрия Ижевск» ГП «Девятый трест», г. Ижевск.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 159 страницах машинописного текста. В работу включены 72 рисунка и 23 таблицы, список литературы содержит 92 наименования, в приложениях представлены акты об использовании результатов диссертационной работы.
