Повышение эффективности фундаментальных и прикладных научных исследований становится важным фактором ускорения научно-технического прогресса. Особое значение приобретает автоматизация научных исследований, позволяющая получать более точные и полные модели исследуемых объектов и явлений, снижать трудоемкость исследований, изучать сложные тепловые процессы, исследование которых традиционными методами затруднительно или невозможно.
Современное развитие технических и программных средств создают условия для разработки автоматизированных систем для проведения теплофизических измерений.
На базе серийно выпускаемого прибора ИТ-3 разработана автоматизированная система (АС) для определения теплопроводности материалов [1].
Структурная схема АС для исследования теплопроводности твёрдых материалов представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы: I — измерительная ячейка; II — образец испытуемый; III — термостат; IV — сосуд Дьюара; V — блок управления и измерений; VI — лабораторный автотрансформатор; VII — стабилизированный источник постоянного тока; 1 — механизм перемещения; 2 — электрический нагреватель; 3, 4 — термопары; 5 — холодильник; 6 — датчик теплового потока
Основным элементом АС является измерительная ячейка I (прибор ИТ-3), предназначенная для измерения коэффициента теплопроводности широкого класса веществ и материалов, в том числе грубодисперсных, сыпучих, резин, в виде пластин и пакетов методом стационарного теплового режима [2].
Нагрев верхней поверхности испытуемого плоского образца II в виде диска осуществляется плоским электрическим нагревателем 2. Отвод тепла и поддержание постоянной температуры в системе термостатирования ячейки обеспечивается термостатом III. Измерение перепада температуры на образце осуществляется ленточными термопарами 3 и 4. Датчики температуры расположены в эластичных резиновых прокладках, исключающих появление контактных термических сопротивлений. Измерение теплового потока, проходящего через образец, осуществляется датчиком теплового потока 6, расположенным в верхней части холодильника 5. Для поддержания свободных спаев термопар при температуре 0 °C используется сосуд Дьюара IV [3].
Механизм перемещения 1 позволяет вращением верхнего фланца поднимать или опускать подвижную внутреннюю вставку с нагревателем, обеспечивая возможность сначала вставить образец с прокладками, а потом плотно прижать весь пакет к охладителю [2].
Основным средством автоматизации системы является блок управления и измерений V, который включает в себя следующие модули:
1) управляющий модуль, обеспечивающий передачу данных между блоком управления и измерений и компьютером, управление измерительным модулем, модулем регулирования мощности на нагревателе и модулем регулирования температуры жидкости в термостате, а также обеспечивающий взаимодействие с программным обеспечением компьютера VIII;
2) измерительный модуль, предназначенный для аналого-цифрового преобразования сигналов с термопар, установленных в измерительной ячейке и термостате, а также сигнала с датчика теплового потока;
3) модуль управлением нагревом образца, с помощью которого устанавливается закон изменения теплового потока через образец;
4) модуль управления термостатом, осуществляющий поддержание заданной температуры в термостате, а значит и температуры поверхности образца.
Стабилизированный источник постоянного тока VII предназначен для питания схем блока управления и измерений. С помощью лабораторного автотрансформатора VI осуществляется установка максимальной мощности на нагревателе ячейки [2].
Важной составляющей автоматизированной системы является разработка программного обеспечения. Программное обеспечение АС, реализующее процесс измерения и управления, включает две группы:
а) программное обеспечение для микропроцессорных подсистем блока управления и измерений;
б) программное обеспечение персонального компьютера VIII, к которому подключается блок управления и измерений через шину USB.
К микропроцессорным подсистемам блока управления и измерений относится плата на базе 32-разрядного микроконтроллера и плата регулирования мощности на нагревателе измерительной ячейки на базе 8-разрядного микроконтроллера. Разработка и отладка программного обеспечения для микроконтроллеров производилась в специально разработанных интегрированных средах, поддерживающих язык программирования С/С++.
Разработка программного обеспечения для управления ходом эксперимента предполагает создание модулей, реализующих функции измерения в реальном времени, драйвера USB и средства отладки.
На рис. 2 приведен интерфейс программы регулирования мощности на нагревателе измерительной ячейки. Программа предназначена для настройки параметров работы АС, получения и обработки первичной измерительной информации, контроля за ходом эксперимента и расчета теплопроводности исследуемого материала.
Для корректной работы АС, перед началом эксперимента в программе необходимо задать следующие параметры:
- температуру холодных спаев термопар;
- толщину образца;
- значение порогового значения параметра недогрева, по которому будет определяться наступление стационарной стадии;
- температуру жидкости в термостате, которую необходимо поддерживать;
- мощность на нагревателе в процентах от максимальной (максимальная мощность задается с помощью лабораторного трансформатора (рис. 1).
Программа позволяет реализовывать несколько режимов работы АС. Такая необходимость может возникнуть, если необходимо исследовать температурную зависимость теплопроводности образца. Программа самостоятельно переключается на другой режим, когда достигается стационарная стадия нагрева. На рисунке 2 показано два таких режима нагрева.
В программе отображается следующая измерительная информация:
- время эксперимента;
- количество измеренных значений;
- показания первичных датчиков (термо-э.д.с.) в мВ;
- рассчитанные значения перепада температур на образце (0 °С), теплового потока (Вт/м2), значения температуры верхней и нижней поверхностей образца (в 0 °С);
- рассчитываемые в процессе нагрева параметр недогрева до стационарной стадии образца;
- рассчитываемый коэффициент теплопроводности.
Программа позволяет сохранить результаты эксперимента на жесткий диск (или другой носитель информации) компьютера. Данная функция может быть полезна для более подробного изучения результатов опыта, а также для создания базы данных экспериментов.
Рис. 2. Интерфейс программы управления ходом эксперимента
Таким образом, разработанная на базе прибора ИТ-3 АС, реализующая метод стационарного теплового режима, позволяет определять теплопроводность различных материалов. Разработанный блок управления и измерений на микропроцессорной базе в совокупности с программным обеспечением дает возможность управлять ходом эксперимента, получать измерительную информацию и проводить расчеты теплопроводности исследуемого материала.
Литература:
1. Прибор для измерения теплопроводности твердых тел ИТ-3: паспорт ИТ-300.00.000ПС / Академия наук УССР, ин-т технической теплофизики. — Киев, 1980. — 23 с.
2. Мохов Д. О. Исследование теплопроводности рапсового масла/ Проблемы ноосферной безопасности и устойчивого развития, Сборник научных статей молодых ученых, аспирантов и студентов /ФГБОУ ВПО «ТГТУ». — Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2010. — Вып. I — C. 230–232.
