Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Зависимость теплопроводности дисперсных сред от влажности и основные методы измерения тепловых и влажностных характеристик почвы (литературный обзор) 12
1.1. Теплофизические свойства дисперсных сред и почв при различной увлажненности 12
1.2. Тепловые методы измерения влажности и капиллярно-сорбционного потенциала влаги почвы 20
ГЛАВА 2. Применение метода цилиндрического зонда постоянной мощности для определения теплопроводнфоти дисперсных сред 32
2.1. Основные полбжения метода цилиндрического
зонда постоянной мощности 34
2.2. Технология и конструкция измерительных ячеек. Характеристика исследуемых материалов 42
2.3. Установка .для измерения теплопроводности дисперсных материалов 57
ГЛАВА 3. Теплопроводность дисперсных материалов и ее связь с влажностью и потенциалом влаги 71
3.1. Зависимость теплопроводности порошковых сред от влажности и потенциала влаги 71
3.2. Зависимость теплопроводности от температуры. 93
3.3. Зависимость теплопроводности от атмосферного давления. Определение фазового состава влаго-переноса в капиллярнопористых телах методом двухфазной теплопроводности .- 101
3.4. Влияние содержания соли в увлажняющем растворе на эффективную теплопроводность дисперсных материалов 109
Применение метода цилиндрического зонда для полевого определения потенциала влаги и тепловых потоков в почве 117
4.1. Применение теплового метода цилиндрического зонда для измерения потенциала влаги почвы 117
4.2. Устройство для определения потенциала влаги. 120
4.3. Результаты лабораторных и полевых испытаний тепловых преобразователей. Гистерезисные явления .132
4.4. Применение метода цилиндрического зонда по стоянной мощности для измерения тепловых потоков в почвах 159
Выводы 170
Литература
- Тепловые методы измерения влажности и капиллярно-сорбционного потенциала влаги почвы
- Технология и конструкция измерительных ячеек. Характеристика исследуемых материалов
- Зависимость теплопроводности от атмосферного давления. Определение фазового состава влаго-переноса в капиллярнопористых телах методом двухфазной теплопроводности
- Результаты лабораторных и полевых испытаний тепловых преобразователей. Гистерезисные явления
Введение к работе
Управление тепловым и влажностным режимом сельскохозяйственного поля вляется одной из центральных задач интенсификации сельскохозяйственного производства. При выборе агротехнических, мелиоративных и других мероприятий, связанных с изменением тепло- и гидрофизических характеристик почвы существенно, в частности, иметь информацию о теплопроводности, тепловом потоке в почву, потенциале почвенной влаги и влажности почвы.
Измерение количества влаги в почве, разработка датчиков влажности почвы и информационно-измерительных систем, рассчитывающих потребность растений в воде, необходимы для установления сроков и автоматизации полива, мелиорации земель, а также для повышения уровня эксплуатации и автоматизации внутрихозяйственной оросительной сети (водораспределения). Основной задачей мелиоративного почвоведения и мелиорации является оптимизация водного режима почв и растений, которая сводится к нахождению и поддержанию в оптимальных пределах потенциала почвенной влаги как одной из чувствительнейших характеристик состояния влаги в почвах. Для решения этой проблемы важную самостоятельную задачу представляет создание надежных приборов и методов для непрерывных регистрации потенциала влаги в полевых условиях. Эти измерения важны в научных исследованиях, почвоведении, гидрологии, гидротехнике.
Измерения влажности имеют многолетнюю ис торию. .Аналитический способ определения влагосодержання твердых тел путем взвешивания до и после высушивания образца применяется уже на протяжении многих десятилетий,кондуктометрический метод был предложен в начале - 5 -двадцатого столетия (І900-І9І0гг.), а диэлькометрический - примерно в 1928 г. Позднее стали развиваться такие методы, как психрометрический, осмотический, радиоактивный, сверхвысокочастотный, теплофизическии и др. В некоторых из этих методов влажность измеряется непосредственно, в других - производится измерение потенциала влаги с целью оценки уровня влажности, несмотря на разнообразие предложенных методов и датчиков потенциала влаги и влажности до настоящего времени продолжает остро ощущаться нехватка надежных, высокоточных, эксплуатационно и технологически рациональных способов определениях этих параметров, особенно в полевых условиях, В связи с научно-техническим прогрессом в последнее десятилетие изменились требования, предъявляемые к преобразователям влажности и потенциала влаги, и при их разработке должно быть учтено, что важнейшими из этих требований являются уменьшение длительности измерения и возможность выполнения всех или основных операций измерения без участия человека, т.е. переход от ручного аналитического контроля к методам современной измерительной техники.
Основные методы измерения влажности и потенциала влаги поч-вогрунтов в полевых условиях опираются на более или менее устойчивые зависимости отдельных параметров почвенной среды от влажности (потенциала влаги) [1-9]. Из них наиболее распространены следующие методы (в скобках указывается измеряемый параметр): аналитический или'термостатно-весовой (вес почвенного образца), кондуктометрический с применением эталонного блока (электросопротивление), диэлькометрический (комплексная диэлектрическая проницаемость, мнимая составляющая диэлектрической проницаемости, тангенс угла потерь, СВЧ-поглощение), психрометрический (давление водяных паров), осмотический (осмотическое давление), радиационный (поглощение нейтронов, Т - и рентгеновской радиации), теплового радиоизлучения (яркостная температура земной поверхности), тензиометрический (давление влаги), тепловой (теп-лофизические характеристики: теплопроводность, температуропроводность, объемная теплоеглкость). Все указанные методы имеют как достоинства, так и недостатки. Если говорить о последних, то следует отметить трудоемкость и невозможность применения в автоматических системах аналитического метода; недостаточное разрешение при тарировке по влажности, зависимость от химического состава почвы, необходимость вынесения за непосредственные пределы сельскохозяйственного поля для датчиков радиационного излучения; невысокую точность при высоких влажностях психрометрического метода; сильную зависимость данных кондуктометрического и (в меньшей степени) диэлькометрического методов от засоленности и температуры и т.п. Что касается тензиометров, то здесь нужно указать на ограничение в предельных измеряемых величинах давлений почвенной влаги (практически до 0,7*0,8 атм), сложность подготовки к работе и установки в естественных почвогрунтах, сравнительно большие размеры (в длину до 10 см и более), не допускающие высокое разрешение на глубине в почве [9] .
Среди различных методов, предназначенных для измерения объемной влажности и потенциала влаги в почве, к числу наиболее эффективных относятся методы, основанные на связи теплофизических характеристик почвы или вспомогательной эталонной пористой среды с влажностью. Главным достоинством этих методов является относительно слабое воздействие на результаты измерений солевого состава почвенного раствора и возможность подавления температурной зависимости показаний. При этом тепловые датчики просты в эксплуатации, допускают подключение к мелиоративным системам управле- ния, обладают небольшими размерами, а, следовательно, хорошим разрешением по глубине, и,практически, могут работать во всем диапазоне полевых влагосодержаний.
Из недостатков существующих тепловых методов, использующих эталонные пористые блоки [іо-із] , следует отметить:
Большие размеры нагревателя, которые определяют большое время выхода тепловой волны за его пределы, что приводит к возрастанию времени измерения*
Невысокая чувствительность измерения связана: а) с формой нагревателей, создающих квазишаровую тепловую волну, не обеспечивающую максимальную чувствительность измере ния. Кроме того, в большинстве известных методов нагреватель и терморезистор разделены» Это увеличивает размеры системы "нагре ватель-терморезистор", и, следовательно, время измерения; б) с невысоким отношением теплопроводностей эталонных по ристых материалов в насыщенном водой и сухом состояниях (макси мум 2,7+3); в) не учитывается то обстоятельство, что на начальную часть кривой изменения температуры термозонда влияют свойства контак та между термозондом и материалом блока,
При использовании термисторов необходимо компенсировать влияние изменения температуры окружающей среды как на сопротивление зонда, так и на стабильность показаний в процессе измерения,
Не преодолены трудности изготовления стандартных пористых блоков с варьируемой зоной чувствительности по потенциалу влаги и влажности,
Большая инерционность тепловых преобразователей по отношению к установлению равновесной влажности обусловлена их размерами (в свою очередь, определяемыми размерами нагревателя и термочувствительного элемента).
Настоящая работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Агрофизического НИИ (ВАСХНИЛ г. Ленинград) задание 01.08 на 1975-1980 г.г. "Разработать методы измерения, датчики, приборы и устройства для контроля за физическими параметрами почв и приземного слоя воздуха" Государственный регистрационный Ш 79 000465.
Основными задачами исследования являлись:
Исследование особенностей применения нестационарного метода цилиндрического зонда постоянной мощности с термозондом кольцевой формы для определения теплопроводности увлажненных дисперсных сред.
Исследование зависимости теплопроводности различных связанных и порошкообразных материалов от влажности, потенциала влаги, температуры, концентрации солей и дисперсности частиц с целью обоснованного выбора оптимальных материалов для влагочув-ствительного сорбента с варьируемой зоной чувствительности и стабильными характеристиками в первичных преобразователях потенциала влаги почвы.
Исследование зависимости теплопроводности увлажненных дисперсных материалов от атмосферного давления с целью оценки фазового состава влагопереноса.
Разработка высокоэффективных преобразователей и устройства для измерения потенциала влаги почвы на основе нестационарного метода цилиндрического зонда постоянной мощности.
Разработка преобразователя и устройства для измерения тепловых потоков в почву, также использующих метод зонда постояв- ной мощности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Выявлены и исследованы факторы, определяющие особенности и преимущества измерения теплопроводности дисперсных тел нестационарным методом постоянной мощности с кольцевым термозондом.
Проведены исследования зависимостей теплопроводностей порошкообразных и связавных материалов в широком диапазоне от влажности, потенциала влаги, температуры, концентрации соли в увлажняющем растворе, атмосферного давления, дисперсности частиц.
Изучена экспериментально и обоснована теоретически дробно-линейная зависимость теплопроводности дисперсных порошкообразных материалов от потенциала влаги.
Проведена экспериментальная оценка фазового состава влаго-переноса методом парожидкостной теплопроводности в капиллярно-пористом сорбенте на основе гипса.
На основании проведенных исследований впервые предложены в качестве сорбента в преобразователях потенциала влаги почвы порошкообразные материалы различной дисперсности из абразивных микро- и шлифпорошков (электрокорувд, карбид бора, карбид кремния, кварц), которые позволяют увеличить чувствительность, стабильность характеристик, расширить диапазон измерений по сравнению с известными сорбентами.
Исследованы характеристики тепловых преобразователей потенциала влаги и влажности почвы с различным сорбентом в полевых и лабораторных условиях в различных типах почв.
Основные положения,выносимые на защиту.
I. Метод цилиндрического зонда постоянной мощности имеет существенные преимущества перед другими нестационарными методами измерения теплопроводности в отношении скорости измерения при хорошей точности, небольших количествах исследуемых веществ и независимости от внешних температурных воздействий и может быть применен для измерения потенциала и влажности дисперсных материалов и почв.
Зависимость теплопроводности исследованных материалов от потенциала влаги определяется дробно-линейной функцией в широком интервале потенциалов (давлений).
Метод двухфазной теплопроводности в определенном интервале влажноетей высокоэффективен для оценок параметров проводимости, характеризующих перенос по пару и жидкой влаге в дисперсных средах,
Тепловые преобразователи потенциала влаги, разработанные на основе изученных сорбентов,стабильны в своих показаниях и высокочувствительны к изменению давления почвенной влаги.
Практическое использование результатов работы.
Разработаны, исследованы и испытаны новые типы тепловых преобразователей потенциала влаги и теплового потока и измерительные устройства к ним, действующие на основе нестационарного метода зонда постоянной мощности. Эти преобразователи по своим параметрам превосходят известные отечественные и зарубежные тепловые преобразователи аналогичного назначения, и поэтому их следует рекомендовать для решения различных задач мелиоративного почвоведения и агротехники, в частности, для целей оптимизации водного режима почв и растений.
Разработанные устройство и тепловые преобразователи потенциала влаги почвы внедрены в учебно-опытном хозяйстве Андижанского института хлопководства для установления оптимальных - II - сроков вегетационных поливов хлопчатника.
Метод измерения теплопроводности дисперсных материалов, экспериментальная установка и измерительные ячейки внедрены и использованы при выполнении хоздоговорных работ в ВДКТБ Ш АН УзССР с фактическим экономическим эффектом 52 тыс.рублей.
Результаты настоящей работы могут быть положены в основу создания опытных образцов тепловых преобразователей потенциала влаги в проектно-ковструкторских организациях, разрабатывающих измерительные приборы для сельского хозяйства.
Апробации работы и публикации. Основное содержание диссертации докладывалось и обсуждалось на УІ Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1980 г.), областной научно-производственной конференции "За высокую эффективность сельскохозяйственного производства в свете решений ХХУІ съезда КПСС" (Андижан, 1982г.), расширенном заседании лаборатории неконтактных методов диагностики сельскохозяйственных полей и посевов Агрофизического ордена Трудового Красного Знамени НИЙ в мае 1980г. и сентябре 1983 г., объединенном научно-теоретическом семинаре кафедр физики'Андижанского института хлопководства и Государственного педагогического института в апреле 1982 г., научном семинаре Отдела теплофизики АН УзССР в июле 1982 г., объединенном семинаре лабораторий реофизики и криогенной техники в сентябре 1983 г. и заседания физико-технической секции Ученого Совета в декабре 1983 г. ИТЖ) им. А. В. Лыкова АН БССР.
По теме диссертации опубликовано 5 статей и получено I авторское свидетельство на изобретение.
Диссертация изложена на 191 страницах, включая 74 рисунка, 7 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 91 наименование отечественных и зарубежных авторов.Диссертация" состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений.
Тепловые методы измерения влажности и капиллярно-сорбционного потенциала влаги почвы
Другой популярный подход к расчету теплопроводности многофазных тел-метод "элементарной тепловой ячейки". В основе этого метода лежит выделение в неупорядоченной системе структурно организованных ячеек. Вся система описывается переплетением адиабатических трубок тока, в пределах которых располагаются последовательно сцепленные, разнообразным образом ориентированные "элементарные ячейки". Основное положение метода: эффективные коэффициенты Ji систем с хаотической и упорядоченной структурой равны, если эти системы адекватны [23] . К сожалению, в работах, разрабатывающих этот метод, критерий адекватности недостаточно хорошо определен [17, 23, 27-29] . Важный вопрос состоит также в том, как выбрать "ячейку" и как ее моделировать. Элементарная ячейка в виде каркаса из брусьев предлагается в [17].
Для двухфазных сред упорядоченное расположение таких ячеек дает где С - геометрический параметр, связанный с объемной концентрацией примесной фазы; = у\± - отношение парциальных теплопроводностей фаз, составляющих среду. В [зо] исследуется беспорядочно размещенные кубические ячейки. Результат имеет вид:
Согласно [24] , ДДя расчета эффективной теплопроводности смесей с замкнутыми включениями кубической формы рекомендуется формула
При выводе (1,5, 1.6, 1.7) теплопроводность ячеек оценивается лишь приближенно (путем разбиения ячейки на отдельные части адиабатическими или изотермическими плоскостями). Это и указанные выше допущения ограничивают расчетные возможности метода. Последнее отчетливо проявляется при попытках применить (1.5), (1.6), (1.7) к влажным зернистым телам: так, например, выражение (1.5) совершенно неудовлетворительно описывает ход теплопроводности в зависимости от влажности для абразивных микропорошков, особенно, интенсивный рост у\ в области небольших влагосодержаний (см. 3.1). Известно также, что метод тепловой ячейки непригоден при сильном отличии теплопроводноетей составляющих фаз [23].
Метод конструирования функции Л = j ( ь г) опирается на работы Лихтенекера (см.обзор в [14, 23, Зі]). В соответствии с[23] несмотря на частные удачи, этот метод исходит из формально-дедуктивных посылок, совершенно не отражает структуры тела и не учитывает переход от системы с взаимопроникающими компонентами к изолированным включениям.
Асимптотические методы [32] применяются лишь при у -у\.,« 2 и потому распространяются на узкий круг реальных композиций.
В последнее время развивается теория перполяции, результаты которой с успехом применяются к двухфазным телам с ]\±ф при Эта теория позволяет обнаружить интересное явление порога протекания, так, в [2б] получено =JV І6(Х.,-ХС) и на основе модельных экспериментов установлено Хс 0,15. Ни один из упомянутых выше методов не в состоянии удовлетворительно описать теплопроводность широкого круга, влажных материалов в широком диапазоне влажностей. Главная причина этого заключается в том, что влага не является нейтральным компонентом составного дисперсного тела, а взаимодействует с матричной основой и тем самым создает условия для структурной организации в пределах ближнего порядка системы. Формы связи влаги с матрицей различны в различных областях влагосодержання, что, конечно, должно сказаться на зависимости тепловых свойств пористого тела от влажности. По-видимому, естественней всего метод "эффективной среды" применять к влажным связанным материалам с небольшим включением пор [Г7, 29] Но этот метод совершенно отказывает в случае зернистых тел (см. 3.1). Метод тепловой ячейки более пригоден для зернистых сред [27] . Однако, здесь необходимо разумно выделить элементарную структурную единицу (ячейку), сохраняющую специфику упорядочения влаги вблизи частиц матричной фазы, а также правильно рассчитать эффективную проводимость ячейки. До сих пор этого сделано не было. Предпринята попытка [зз] связать тепловые свойства "элементарной ячейки" с важным параметром, характеризующим состояние влаги, а именно, с потенциалом влаги (сосущей силой). В ряде случаев (например, влажных монодисперсвых высокотеплопроводных порошков) эта попытка учета связи влаги с веществом матрицы имеет успех (см.гл.3 и [ЗЗ, ЗІ]).
Технология и конструкция измерительных ячеек. Характеристика исследуемых материалов
Оценка t max производится путем разложения полного решения задачи о нагреве зонда в ограниченном образце по малым параметрам t/fg и t/r0$ t Где Г«= /aM , 5 = / 5 - половина длины нагревателя по оси, R - радиальные размеры образца
В наиболее тяжелых условиях эксперимента (при сильном отличии теплопроводноетей образца и окружающей среды) ограничение об 0,25 вносит в определении величины f ошибку не более +.3 5$. Последним в оценке влияния геометрических размеров нагревателя и образца является учет их конечной длины, расчеты показывают [38], что отклонение у 11 не превосходит 5$,если "t/r 0,{ . Это условие можно переписать еще и в таком виде
Если и поэтому ограничения по длине оказывается более легким, нежели ограничения, исходящие из конечности радиальных размеров. Те же соображения справедливы и для кольцевых зондов, здесь роль определяющего размера играет радиус кольца , который соответвенно в несколько раз больше минимального расстояния от нагревателя до поверхности образца (из решения 3.7 стр.255 [47] ) для мгновенного кольцевого источника следует примерно те же числовые оценки,что из (17 ) для tтак фи эквивалентной величине R 3) .Величина 3.7 стр.255 [47] равна f/t )
Окончательно условие выбора временного интервала в преде лах которого с заданным приближением выполняется линейная за вис шлость запишем в виде В наиболее трудных условиях эксперимента приближение линейности выполнялось в пределах Ь%, если 10+20 и
Для проведения исследований зависимости теплопроводности связанных и порошковых материалов от влажности, потенциала влаги и изучения влияния на теплопроводность температуры, атмосферного давления и концентрации солей в увлажняющем растворе были разработаны и изготовлены измерительные ячейки двух типов.
Измерительная ячейка рис.2.2 для связанных материалов (гипса) представляет собой цилиндрический блок: отливку-1 (диаметром 30 мм, высотой 20+25 мм) из исследуемого пористого материала, в центре которой размещается термозонд-2 (совмещенные термочувствительный и нагревательные элементы). Термозонд имеет токовые и потенциальные электрические выводы - 5, загерметизированные эпоксиднойй смолой - 4 в плате - 3, внедренной в пористый материал. Плата имеет резьбу для установки измерительной ячейки в герметичную термостатируемую камеру.
Благодаря кольцевой конструкции термозонда форме блока измерительной ячейки может быть придан "таблеточный" вид. Такая таблетка" имеет технологические и эксплуатационные преимущества перед "карандашными" блоками с линейными термозондами как в отношении экономии количества исследуемого материала (при той же прочности блока), так и в отношении размеров свободной поверхности влагообмена с окружающей средой (.последнее важно для тепловых преобразователей,помещенных в почву). Кольцевые термозонды позволяют также устранить плохо учитываемые торцевые утечки тепла, характерные для линейных источников, а, следовательно, способствуют повышению точности измерений теплопроводноети.Кольцо термозонда состоит из нескольких витков (2-3) проволоки и изготавливается в специальной оправке из тефлона. Витки скрепляются с помощью клея - суперцемента. После схватывания клея и формирования кольца термозовд сушится в климатической камере при температуре Ю0 2С в течение 4+6 часов, в результате чего клей по-лимеризуется и образует тонкую упругую и герметичную водостойкую пленку, надежно защищающую термозонд от разрушения под действием влаги и растворов солей. Затем концы термозонда очищаются от изоляции на 2+3 мм, обезжириваются и к ним контактной электросваркой привариваются переходники из никелевой полоски размером 5x2x0,5 мм. Переходники из никеля облуживаются, к ним подпаиваются (оловяно-свинцовым припоем ПОС-60) удлинительные проводники из медной многожильной проволоки (МГТ). Места спая проводников изолируются лаком ПЛ-95. Электрическая изоляция термозонда проверяется путем погружения его в раствор поварен ной соли концентрации 50 г/л. Зонды отбраковывают по сопротивлению изоляции, которое должно быть не менее I мОм.
Электрические выводы герметизируются и укрепляются в плате 3 эпоксидной смолой. Плата изготовляется из изоляционных материалов (эбонит, текстолит) и имеет на одном конце резьбу М Юх х1,0 мм для соединения с измерительной камерой. Плата с термозондом устанавливается в специальную разъемную форму, изготовленную из нержавеющей стали марки X І8НГ0Т и заливается жидким раствором гипса.
После схватывания раствора (выдержка 1 2 час, при комнатной температуре) форма разбирается и отливки высушиваются при температуре 35 40С в течение 6+8 часов. Таким образом, изготовленные отливки готовы к исследованиям. Одновременно в одной форме можно получить до 10 отливок.
Измерительная ячейка для порошкообразных материалов(рис.2.3) состоит из цилиндрического пористого керамического стакана - I (внутренним диаметром 30 мм и высотой 22 мм), термозонда - 2 с токовыми и потенциальными электрическими выводами - 3, укрепленными в плате « 4 и пористой керамической крышки - 5. Термозонд 2, аналогичный по параметрам и технологии изготовления термозонду измерительной ячейки для связанных материалов, устанавливается в центре керамического стакана - I и крепится к нему через плату - 4. Исследуемый порошкообразный материал 6 свободно засыпается в керамический стакан, прикрывается крышкой и уплотняется с помощью дюралевой гайки 7, которая закручивается в латунное Кольцов 8. Латунное кольцо крепится к керамическому стакану эпоксидной смолой.
Зависимость теплопроводности от атмосферного давления. Определение фазового состава влаго-переноса в капиллярнопористых телах методом двухфазной теплопроводности
Например, для гипсовых образцов опытные оценки дают 100 Дж/кг, 3$ кГго — 0У0 т Иначе говоря, Ss имеет порядок экспериментальных значений Sп для различных почв[з, 62J . По-видимому, величины Ss близки для большого круга капиллярнопористых сред (т.е. слабо зависят от вещества матрицы). В связи с этим, можно утверждать, что смещение влажности эталонных блоков при изменении температуры (во всяком случае, в области комнатных температур) незначительно и, следовательно, его ролью в общем воздействии температуры на теплопроводность можно пренебречь.
Влага в ненасыщенных капиллярнопористых телах переносится как в жидкой, так и парообразных формах. Вклад каждой фазы в полный перенос зависит от ряда факторов, в числе которых уровень влажности, температура и давление газовой среды являются наиболее важными
Среди методов исследования фазового состава следует упомянуть методы фазового барьера [з] , ме?ок жидкой фазы [з] и тепловых потоков [бЗ, 64] Недостатки первых двух методов подробно разбираются [з]. Что касается анализа тепловых потоков, то его применение имеет целью установление фазового состава неизотермического влагопереноса путем измерения интегральных тепловых потерь при различных температурах в установке калориметрического типа.
В предлагаемом методе величиной, определяющей соотношение между фазовыми компонентами влагопереноса, является паро-жидкостная (двухфазная) составляющая теплопроводность, на которую воздействует изменяющееся давление наружной газовой среды [65].
В капиллярнопористом теле эффективный коэффициент двухфазной теплопроводности представляется в виде [58, 59J где п - удельная теплота парообразования, Pw - удельный вес воды, Я) те - коэффициент термовлагопроводности по пару, t j - число переноса жидкой влаги, которое выражается через коэффициенты капиллярной диффузии по жидкой влаге $w и пару Как известно [58] %\j в капиллярнопористых средах зависит от их структурных особенностей, вязкости воды и характеристик капиллярно-сорбционного потенциала влаги Ф (влажности). Эффективный коэффициент пародиффузии Йо может быть выражен в форме [59] где Ро - плотность водяного пара, М - молекулярный вес воды, Rg - газовая постоянная, 1 - угол наклона основной гидрофизической характеристики капиллярно пори стой среды (изотермы сорбции), т.е. производная удельного потенциала влаги по влажности W , Ф л - коэффициент диффузии водяного пара в воздухе внутри капиллярнопористого тела в форме Сте-фана: fiL -du (Л-Wj 57j Ъ0 , ц - коэффициент извилистости капиллярных путей, Р - полное атмосферное давление в порах, - давление водяного пара, )о - коэффициент диффузии пара в свободном воздухе, который имеет опытное значение
Результаты лабораторных и полевых испытаний тепловых преобразователей. Гистерезисные явления
Устройство для измерения потенциала влаги состоит из теплового преобразователя потенциала влаги и измерительного блока. В разработанных конструкциях преобразователей Гб9, 70J термозонд совмещает в себе функции как терморезистора, так и нагревателя. Размеры, материал и технология изготовления кольцевых зондов для преобразователей описаны в 2.2, Эталонные блоки из гипса имеют вид, представленный на рис.2.2 с тремя различными толщинами 5,10 и 22 мм. Увеличение толщины блока увеличивает долговечность преобразователя при его эксплуатации, хотя одновременно увеличивается его инерционность, т.е. возрастает время установления равновесных показаний при калибровке в прессе. Эталонные блоки для порошковых сорбентов состоят из керамической оболочки и помещенного внутри нее порошка (см. 2.2). Рис. 2.3 и 4.1 дают представление о двух типах керамических стаканов и их размерах. На рис.4,1 керамическая крышка приклеивается к стакану эпоксидной смолой после предварительного уп -лотнения порошка определенной нагрузкой ( 0,5 кг/см2). Последнее необходимо для создания достаточно воспроизводимых калибровочных характеристик порошковых преобразователей.
Выбор функциональной электронной схемы устройства определяется как алгоритмом измерений и вычислений, так и временными и амплитудными соотношениями.
В соответствии с требуемым алгоритмом теплопроводность исследуемой среды yl численно равна (см. 2.1) где - выходное напряжение из мерительного моста в одной из плеч которого включено сопротивление датчика в момент времени ti .
С точки зрения простоты схемной реализации удобнее вычис лить величину теплосопротивления среды Тогда то есть для определения величины W , необходимо измерить и запомнить значение выходного напряжения мостовой схемы в фиксированные моменты времени І и tfc после начала нагрева датчика и вычислить разность этих напряжений. При выборе схемы следует учитывать также, что
промежуток времени между может меняться от нескольких секунд до минуты. Измерение и запоминание промежуточных результатов измерений с высокой точностью на аналоговых элементах является достаточно сложной задачей. Существенно проще эта задача решается при использовании цифровой (дискретной) техники. тельного устройства, а осциллограммы сигналов, поясняющие работу устройства - на рис,4.3.
Измерительная схема для вычисления величины Wr представляет собой двухконтурное цифровое устройство следящего уравновешивания с равномерно-ступенчатым изменением компенсирущеи величины.
Синхронизация и требуемая последовательность работы всех функциональных узлов осуществляется схемой синхронизатора, состоящего из генератора секундных импульсов Qr , генератора тактовых импульсов Сгг , счетчиков СТ2 и СТ"5 и формирователей Fj -г- Р5 , вырабатывающих импульсы запуска и управления измерительной схемой (рис,4.2).
Измерение начинается после запуска схемы синхронизатора внешним импульсом " а " ("начало измерений") в момент времени to При этом напряжение питания (" S ") подается на измерительный мост WM , начинается нагрев датчика, а счетчики СТЧ -Т-СТ5 устанавливаются в исходное положение.
Определение величины WT осуществляется в три этапа. На первом этапе в контуре I следящего уравновешивания (рис.4,2)после подачи разрешающего импульса " # "в момент времени t (см.рис.4.4) измеряется величина напряжения Uo с выхода измерительного моста. Величина, компенсирующая U0 , запоминается в реверсивном счетчике PC і , и через преобразователь код-напряжение ПКЩ подается на второй вход измерительного усилителя. В контуре П следящего уравновешивания, работающем аналогично первому контуру, осуществляется измерение разности текущих значений выходного напряжения моста в моменты времени t и "Ьд, и зафиксированного значения U0 . Одновременно в момент времени t;t разность напряжений запоминается в виде числоимпульсного кода в выходном счетчике СТІ , а напряжение выхода ПКНЗ , пропорциональное этой разности, а, следовательно, величина WT через масштабный усилитель поступает на выход измерительного устройства и индицируется на стрелочном приборе. Рассмотрим схему измерительного моста (рис.2,1).
Выражение для величины сопротивления датчика Г можно записать где R,- сопротивление датчика при температуре окружающей среды Т = То = 20С, т.е. температуре, при которой настраивается и регулируется ИМ ; ДГ дТ) - изменение величины Гх при пропускании через него тока нагрева за время измерения от момента "t t до момента tA . при этом датчик помещен в среду, теплопроводность J\. которой необходимо оценить. Пусть величина fy регулируется при первоначальной настройке и балансировке схемы, т.е. Г97 fto С учетом требуемого алгоритма для выходного сигнала можно записать (в соответствии с (2.12, 2.13, 2. )
