На правах рукописи

СЯКТЕРЕВА Виктория Викторовна

РАЗРАБОТКА ЗОНДОВЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГРУНТА НА ОСНОВЕ

ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Куликов Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ивлиев Андрей Дмитриевич доктор технических наук, профессор Сапельников Валерий Михайлович

Ведущая организация: Физико-технический институт УрО РАН

Защита диссертации состоится « 16 » декабря 2011 г. в 14 часов на заседании регионального диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34; тел.

(3412) 50-82-00.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Автореферат разослан « » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор В. В. Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 температуре 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:

1. Разработка зондового метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта на основе ТПС цилиндрической конструкции.

2. Разработка нестационарного метода определения теплопроводности грунта на основе ТПС.

3. Экспериментальные исследования предлагаемых зондовых методов измерения теплопроводности грунта в лабораторных и полевых условиях.

4. 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 основе ТПС из медного микропровода для измерения коэффициента теплопроводности грунта;

- обоснованы требования к системе измерения теплопроводности грунта в полевых условиях для реализации стационарного и нестационарного методов цилиндрического 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 измерения 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 научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 24–25 февраля 2011 г.); Всероссийской научнотехнической конференции «Приборостроение в ХХI 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 выставкесессии 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 ХХI веке» ИжГТУ (г. Ижевск, 15–18 марта 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 6 публикаций в сборниках трудов конференций. По результатам исследований получены патент РФ № 105442 U1, 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 проектноконструкторских 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе работы представлена классификация и проведен анализ методов измерения теплопроводности грунта.

Методы делят на лабораторные и полевые.

Лабораторные методы, предполагающие исследование образцов грунта с использованием специально сконструированных установок, позволяют определять теплофизические свойства грунта с высокой точностью и оценивать их зависимости от различных факторов (влажности, плотности и т.д.).

Полевые методы пригодны для определения теплопроводности непосредственно в естественных условиях и позволяют установить зависимость теплопроводности от глубины и времени, поэтому актуально их использование при проектных и исследовательских работах.

В зависимости от характера изменения температуры при определении теплопроводности грунта, лабораторные методы могут быть стационарными и нестационарными, а полевые – чаще нестационарными.

Стационарные методы при относительно высокой точности требуют значительного времени на проведение измерений. Нестационарные позволяют сократить время измерений. При этом они более пригодны для применения в полевых условиях, чем стационарные, так как при меньшем времени, затрачиваемом на измерения, меньше сказываются изменения внешних условий, например, температуры и влажности. При реализации нестационарных методов, как правило, проявляются более сложные тепловые процессы в объекте исследований, которые в совокупности не всегда возможно учесть. Это создает определенные проблемы при их использовании.

Анализ существующих методов и приборов, позволяющих определять теплопроводность грунта, показал, что наиболее перспективными являются зондовые варианты методов измерения. Из зондовых целесообразно развитие методов цилиндрического зонда, на основе модификации которых возможна реализация стационарного метода шара и нестационарного метода цилиндрического зонда с линейным источником тепла. При реализации зондовых методов важным фактором в улучшении метрологических характеристик аппаратуры является конструкция измерительного зонда. Применение зондовых методов требует не только высокого разрешения по измеряемой температуре на различных участках теплового режима, но и изменение режимов в зависимости от алгоритма определения коэффициента теплопроводности. Поэтому с учетом особенностей грунта, как объекта контроля, система измерений, реализующая зондовые методы, должна иметь не только высокое разрешение, но и должна позволять адаптивно изменять режимы и энергетические параметры процесса измерений, а также вести контроль за параметрами окружающей среды. При этом в качестве датчика теплопроводности перспективно использовать измерительный зонд на основе ТПС, совмещающего функции нагревателя и датчика температуры.

В результате проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе рассматриваются вопросы разработки и исследования метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта цилиндрическим зондом на основе ТПС.

Обоснование метода неограниченного шара вытекает из преобразования формулы для реализации классического метода шара [4, 9] где – определяемая теплопроводность материала, d 1 и d 2 – внутренний и наружный диаметры шара соответственно, Р - мощность нагревателя, Т 1 и Т 2 – темT T пература изотермических поверхностей шара. В этой формуле отношение представляет собой термическое сопротивление Rт шара распространению тепла от нагревателя в радиальном направлении. Если диаметр наружной поверхности шара считать достаточно большим ( d 2 d 1 ), то слагаемым можно пренебречь и выражение для расчета коэффициента теплопроводности приводится к виду Для учета цилиндрической (не шаровой) конструкции зонда при определении термического сопротивления Rт может быть использована уточненная формула для цилиндра, помещенного в неограниченную среду. С учетом этой поправки формула для расчета коэффициента теплопроводности грунта принимает вид где r1 – радиус, а L – длина цилиндра.

Как видно, единственным параметром, который должен быть измерен при определении теплопроводности, является термическое сопротивление среды Rт. Измерить это сопротивление в условиях, когда температура среды неизвестна, возможно, путем измерения приращения температуры T на границе источника и среды при искусственно создаваемом изменении мощности P источника (рис. 1):

Рис. 1. Эквивалентная схема на рис. 2. В работе показано, что с погрешностью, метод позволяет определять теплопроводность в достаточно ограниченном объеме грунта.

Рис. 2. Реализация метода неограниченного шара ТПС разработан алгоритм измерения теплопроводности грунта измерения теплопроводности Для получения приращений тепловой мощности зонда последовательно устанавливается несколько значений измерительного тока I 0, и для каждого из них по окончании теплового переходного процесса измеряется электрическое сопротивление Rt ТПС. По полученным данным строится зависимость электрического сопротивления от квадрата измерительного тока, которая при относительно небольших токах (десятки миллиампер) является линейной и имеет вид Rt AI 02 B. Используя полученные значения коэффициентов А и B, определяется общее термичеA вительность ТПС. Термическое сопротивление среды рассчитывается по формуле Rт Rт общ Rт тпс, где Rт тпс - термическое сопротивление ТПС, определяемое его конструкцией и измеренное в нулевом термостате. Далее рассчитывается теплопроводность грунта по формулам (2) или (3).

Для проверки возможности применения метода проведено моделирование тепловых процессов на основе электротепловой аналогии в среде Micro-Cap. Для этого разработаны электрические модели ТПС и совместные модели ТПС-грунт [1, 8]. Фрагмент модели ТПС-грунт представлен на рис. 3.

Воздушный Стальная Рис. 3. Фрагмент электрической модели ТПС-грунт модуля термического сопротивления ТПС, по которой Из характеристики для песка определено статическое значение общего термического сопротивления Rт общ =83,7 К/Вт и рассчитано значение изм =0,273 Вт/(м·К).

Также показано, что инерционность системы датчик-среда значительно выше (верхняя граничная частота составляет 0,02 Гц).

Это подтверждает возможность использования ТПС для исследования динамических тепловых процессов в грунте, так как его инерционность ниже. Аналогичным образом были проведены исследования других видов грунта с теплопроводностью 0,1 Вт/(м·К) и 0,7 Вт/(м·К).

По результатам исследований построена зависимость коэффициента теплопроводности, заложенного в расчеты параметров ячеек модели среды расч, от изм, полученного при моделировании и последующем расчете по формуле (2).

Полученная линейная зависимость позволяет уточнить формулу для расчета теплопроводности. Таким образом, при проведении измерений теплопроводности грунта методом неограниченного шара с использованием датчика разработанной конструкции предлагается применять формулу с поправкой, определенной по результатам моделирования приобретают форму круга. Круговая форма изотерм на границе зоны моделирования среды позволяет судить о том, что при теплопроводности грунта методом неограниченного шара, которое на моделях соРис. 5. Температурное поле грунта ставило около двух часов, разработан алгоритм обработки данных, заключающийкоординаты указаны в мм) нагревателя при изменении тока I 0 по данным, полученным на начальной стадии переходного процесса [6]. Для реализации данного алгоритма разработана методика оценки уровня асимптоты температуры ТПС, основанная на предположении об экспоненциальном нарастании температуры при включении ТПС в среде с постоянной температурой. В этом случае процесс теплообмена определяется функцией где T ( ) – температура ТПС в момент времени ; T0 – начальное значение температуры (температура среды); T1 – температура нагревателя в установившемся режиме; 0 - показатель тепловой инерции.

Для определения асимптоты T1 найдем приращение функции на фиксированном временном интервале После преобразований выражение (7) принимает вид Выражение (9) представляет собой спадающую до нуля экспоненту с перепадом AB.

Логарифмируем выражение (9) и получаем линейную зависимость логарифма от времени:

Если зависимость (10) получена экспериментально, то, используя МНК, можно найти параметры ln( AB) и 0 и далее рассчитать A по формуле:

Используя одну точку T ( i ) функции (6), находим T0 и далее асимптоту температуры Таким образом, алгоритм определения асимптоты температуры ТПС включает следующие действия.

1. Устанавливается измерительный ток I 0.

2. Начиная с момента включения тока, через фиксированный временной интервал снимаются показания T ( ) и строится зависимость ln (T ( )).

3. Контролируется поведение функции ln (T ( )) и, как только она вырождается в прямую линию, то есть процесс принимает экспоненциальный (регулярный) характер, измерения завершаются.

4. Экспериментальные точки на последней части функции аппроксимируются прямой линией и расчетным путем определяются значения ln ( AB ) и 0. Далее рассчитывается асимптота T1.

Для оценки эффективности алгоритма на модели системы датчик-среда проведены машинные эксперименты при трех значениях измерительного тока I 0 (2, 4, 8 мА). На рис. 6 представлен график изменения логарифма приращений температуры в зависимости от времени при измерительном токе I 0 =8 мА. Результаты обработки полученных данных приведены в табл. 1.

Сравнение результатов моделирования со значениями, полученными в установившемся режиме теплообмена, показывает, что погрешность в определении уровня асимптоты температуры нагревателя не превышает 6%. Также установлено, что данный алгоритм позволяет в 3 раза сократить время измерений.

ln( T ( )) ра в лабораторных услоТаблица 1. виях (без термостатироваРезультаты обработки данных моделей ния) производились измесистемы датчик-среда рения коэффициента теплопроводности песка и В первом случае датчик-нагреватель без изменения положения находился в грунте, и многократно (в течение нескольких дней) производились замеры коэффициента теплопроводности.

Во втором случае каждый раз датчик-нагреватель устанавливался в грунт перед проведением и вынимался из грунта по окончании измерения.

Получены средние значения коэффициентов теплопроводности в Вт/(м·К): для песка 0,49 – в первом случае и 0,45 – во втором случае (при одинаковом СКО 0,07);

для глины 0,91 (при СКО 0,07) – в первом случае и 0,70 (при СКО 0,12) – во втором случае.

Средние значения показателей соответствуют значениям, приводимым в литературе для грунтов данных типов.

Обнаружено влияние колебаний температуры среды на результат измерений, а в случае глины – влияние неоднородности ее структуры.

Для снижения влияния температуры среды время проведения экспериментов необходимо сокращать или применять метод в условиях, когда температура среды изменяется незначительно.

В третьей главе изложены результаты разработки нестационарного метода измерения теплопроводности грунта цилиндрическим зондом на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода.

В основе нестационарного метода лежит решение задачи нестационарной теплопроводности для цилиндра – идеального проводника радиусом r0 и длиной L, окруженного неограниченной средой. При 0 в нем выделяется количество тепла на единицу длины в единицу времени, равное q L. Начальная температура всей системы принимается одинаковой и равной нулю. Теплообмен поверхности зонда с окружающей средой подчиняется закону Ньютона (между нагревателем и средой имеется воздушный зазор).

Согласно решению тепловой задачи, полученному Блэквеллом, расчетная формула для определения коэффициента теплопроводности окружающей среды имеет вид где К 1 L ; P – мощность нагревателя; Т – перепад температуры для моL ментов времени 1 и 2 на участке линейной зависимости изменения температуры от логарифма времени.

На основе приведенной теоретической модели разработана электротепловая модель идеального измерительного зонда с нагревателем в виде тонкой однородной проволоки, выполняющей одновременно функции датчика температуры резистивного типа, помещенного внутрь защитной трубки. Конструкция такого датчика теплопроводности показана на рис. 7.

Рис. 7. Конструкция датчика теплопроводности: измерительному току 1 – стальная трубка толщиной 0,3 мм и длиной 60мм мА. Это условие обеспечинагреватель диаметром 0,1 мм и длиной 40 мм; вало нагрев грунта нагревавоздушный зазор толщиной 0,15 мм. телем в течение 30 секунд до выхода на необходимый режим работы. В режиме анализа переходных процессов определялись зависимости температуры нагревателя от логарифма времени.

Для трех типов грунта (с коэффициентами теплопроводности =0,326, 0,734, 1, Вт/(м·К)) выявлено наличие линейного участка этой зависимости на интервале времени от 20 до 30 секунд при нагревании мощностью 0,08 Вт, что соответствует расчетам по теоретической модели Блэквелла. Результаты определения теплопроводности грунта на моделях приведены в табл. 2.

Грунт, Вт/(м·К) изм, Вт/(м·К) Погрешность, другой – о пригодности датчика для измерения теплопроводности грунта.

С использованием модели проведено исследование влияния конструктивных особенностей зонда на погрешность измерения теплопроводности грунта. Для снижения погрешности предложено воздушный зазор между нагревателем и внутренней стенкой защитной трубки заполнять диэлектрическим материалом, например, фторопластом.

На основе электротепловой модели идеального зонда разработаны модели зонда с ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции.

Для этих двух вариантов измерительного зонда в процессе моделирования системы датчик-среда получены зависимости изменения температуры ТПС от логарифма времени с момента включения нагревателя (рис. 8).

Рис. 8. График изменения температуры ТПС ТПС и грунтом. Далее во времени (начиная с точки В) теплофизические свойства грунта начинают полностью определять характер изменения температуры ТПС. На этом интервале имеется линейный участок (от точки С до точки D) зависимости изменения температуры от логарифма времени, который может быть использован для определения теплопроводности грунта. Этот временной интервал, выбранный в качестве диагностического, находится в диапазоне от 200 до 300 секунд после включения нагревателя. В отличие от модели идеального датчика, увеличение рабочего интервала по времени свидетельствует об увеличении собственной инерционности ТПС за счет увеличения общей теплоемкости.

На основе результатов исследований разработаны измерительные зонды в виде ТПС из медного микропровода каркасной [10] и бескаркасной конструкции (рис. 9).

1 – наконечник; 2 – каркас; 3 – чувствительный элемент; 4 – защитная трубка;

5 – трубка из фторопласта; 6 – изолятор; 7 – контактные площадки;

Установлено, что бескаркасная конструкция зонда несколько снижает погрешность измерений теплопроводности.

Экспериментальные исследования нестационарного метода измерения теплопроводности грунта измерительными зондами предложенных конструкций проводились в лабораторных условиях [3]. Измерялся коэффициент теплопроводности в диапазоне 0,2…1,3 Вт/(м·К) песчаного и глиняного грунтов разной влажности.

С целью определения рабочего измерительного тока датчика проведены измерения теплопроводности песчаного грунта при различных значениях тока. По результатам экспериментов получена зависимость относительной погрешности изS ( ) мерений, определяемой по формуле теплопроводности) от величины, обратной квадрату измерительного тока, которая показана на рис. 10.

Рис. 10. Зависимость относительной погрешности всей совокупностью других На основании полученных данных в качестве рабочего измерительного тока датчика теплопроводности выбран ток 50 мА, который обеспечивает приемлемую погрешность измерений.

Для определения верхней границы измеряемых значений коэффициента теплопроводности интерес представляет зависимость перегрева среды на рабочем временном интервале от значения теплопроводности. На рис. 11 перегрев показан графически в функции от удельного термического сопротивления среды т 1.

Рис. 11. Зависимость перегрева грунта на рабочем участке от удельного термического сопротивления формуле макс, где Tмин - минимально допустимый перегрев среды на рабочем временном интервале, определяемый, например, разрешающей способностью канала измерения температуры. В нашем случае разрешающая способность канала составляет Tр 0,001 К. Задавшись допустимым уровнем погрешности измерений температуры, обусловленной разрешающей способностью, Tр Tмин 0,04, находим макс от коэффициента теплопроводности грунта причинами. При увеличении теплопроводности снижается перегрев среды на рабочем временном интервале, что увеличивает влияние колебаний температуры грунта, обусловленных колебаниями температуры среды.

В четвертой главе приведены материалы по разработке системы для измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара и нестационарным методом цилиндрического зонда, реализованными на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода.

Определен комплекс требований к измерительной системе для применения в полевых условиях [7]:

1) диапазон измеряемых температур:

-50…+50 °С;

2) разрешающая способность: не хуже 0,001 К;

3) диапазон изменения измерительного тока зонда: 2…50 мА;

4) конструктив измерительного зонда должен позволять проникать в грунт на требуемую глубину;

5) соединение измерительного зонда со вторичной аппаратурой должно быть 6) в измерительном блоке системы необходимо использовать микроконтроллер для получения, расшифровки и исполнения команд оператора, опроса измерительного канала и передачи полученной информации в персональный компьютер.

7) передачу данных в персональный компьютер целесообразно осуществлять На основе представленных требований разработана структурная схема системы (рис. 13) и определена элементная база для ее реализации.

В измерительный канал ИИС входят ТПС, промежуточный преобразователь (ПП), нормирующий усилитель (НУ) и аналоговый фильтр (АФ). Назначением ПП является преобразование сопротивления ТПС в эквивалентное ему напряжение, которое при помощи НУ усиливается до диапазона оцифровки аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Для управления измерительным током ТПС используется первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП1). Кроме усиления сигнала НУ обеспечивает аддитивную коррекцию выходной характеристики канала с учетом отклонения начального сопротивления ТПС от номинального. Для этого в измерительный канал встроен ЦАП2. Управление ЦАП осуществляется микроконтроллером (МК); связь МК с персональным компьютером (ПК) реализована с использованием интерфейсного чипа USB.

С использованием эквивалентной схемы измерительного канала (рис. 14) исследованы его параметры и получена разрешающая способность по сопротивлению 0,0002 Ом и температуре 0,001 К (при измерительном токе ТПС 50 мА), позволяющие реализовать предлагаемые методы измерения.

Рис. 14. Эквивалентная схема измерительного канала Разработано программное обеспечение для автоматизации процедуры измерения теплопроводности грунта и взаимодействия системы с персональным компьютером [11]. На рис. 15 приведено основное окно программы для ПК.

С использованием разработанной системы проведены эксперименты по измерению теплопроводности грунта нестационарным методом цилиндрического зонда в полевых условиях. В табл. 3 приведены результаты одной из серий экспериментов. Датчик располагался на глубине 14 см от поверхности.

Эксперименты по измерению теплопроводности грунта показали, что в более глубоких слоях грунта теплопроводность больше, что вызвано большей влажностью грунта на глубине.

С увеличением влажности грунта наблюдается увеличение погрешности измерений, так как значение теплопроводности приближается к верхней границе измеряемых значений. При изм=2,42 Вт/(м·К) величина перегрева, как показывает эксперимент, составляет 0,02 К, что недостаточно для получения приемлемой точности измерений при достигнутой разрешающей способности системы. Поэтому для снижения погрешности в этом случае необходимо снижать термическое сопротивление зонда и увеличивать мощность, подводимую нагревателю. Оба варианта снижения погрешности не представляют принципиальных затруднений при технической реализации.

Таблица 3 Для сравнения метода неРезультаты измерений теплопроводности грунта ограниченного шара и нестационарного метода проведены грамме для измерительного тока I 0 =40 мА на интервале времени от 200 до 300 секунд проведена обработка данных нестационарным методом цилиндрического зонда. В результате расчетов коэффициента теплопроводности по формуле (13) определено значение изм =0, Вт/(м·К). Как видно, расхождение результатов составляет 2 %. Последующие эксперименты по измерению теплопроводности песка подтвердили работоспособность предложенных методов и показали совпадение результатов измерений в пределах допустимой погрешности.

Разработанный метод неограниченного шара с использованием алгоритма обработки данных на начальной стадии переходного процесса и нестационарный метод на основе линейного источника тепла пригодны для измерения теплопроводности грунта в полевых условиях. Оба разработанных метода реализуются измерительным зондом цилиндрической конструкции на основе ТПС из медного микропровода, выполняющего одновременно функции нагревателя и датчика температуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложено научное обоснование технических и методических решений при разработке зондовых методов измерения теплопроводности грунта на основе термопреобразователей сопротивления цилиндрической конструкции с чувствительным элементом из медного микропровода.

1. Анализ существующих методов и средств измерения теплопроводности веществ и материалов показал необходимость разработки более совершенных зондовых методов и устройств на их основе для определения теплопроводности грунта в реальных (полевых) условиях. За основу взяты метод шара и метод линейного источника тепла.

2. Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность реализации метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта зондом цилиндрической конструкции на основе ТПС. Разработаны и использованы для исследования метода неограниченного шара модели ТПС и модели системы датчик-среда с использованием электротепловой аналогии.

С помощью разработанных моделей определены как собственные параметры ТПС, так и основные закономерности теплообмена, позволившие разработать новый алгоритм для измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара и алгоритм обработки данных, основанный на определении асимптоты температуры ТПС, сокращающий время измерения.

Измерения теплопроводности грунта в лабораторных условиях методом неограниченного шара с использованием зонда цилиндрической конструкции подтвердили его эффективность.

3. Предложена модификация нестационарного метода линейного источника тепла на основе ТПС из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции. Разработаны и исследованы модели измерительного зонда на основе электротепловой аналогии.

С использованием моделей проведено исследование влияния конструктивных особенностей зонда на погрешность измерения коэффициента теплопроводности грунта. Установлено влияние значения теплопроводности на погрешность ее измерения за счет снижения перегрева среды на рабочем временном интервале, что увеличивает влияние колебаний температуры грунта, обусловленных колебаниями температуры среды. Определена верхняя граница измеряемых значений теплопроводности грунта (3,08 Вт/(м·К)) при необходимой разрешающей способности измерительной аппаратуры (0,001 К).

Экспериментально подтверждена возможность использования нестационарного метода с датчиком теплопроводности на основе ТПС для измерения коэффициента теплопроводности грунта. Время одного измерения составляет 5 минут, при этом достигается погрешность измерений не более 7%.

4. Определен комплекс требований к измерительной системе на основе ТПС для определения теплопроводности грунта в полевых условиях, с учетом которых разработана структурная схема и определен состав функциональных блоков системы. При реализации макета системы с использованием современной элементной базы получены разрешающая способность по сопротивлению 0,0002 Ом и по температуре 0,001 К при измерительном токе зонда 50 мА. Экспериментально подтверждена работоспособность измерительной системы и возможность ее применения для определения теплопроводности грунта в полевых условиях. Для снижения погрешности измерений разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции измерительного зонда и режимов работы системы.

5. Проведены сравнительные эксперименты по измерению теплопроводности песка методом неограниченного шара и нестационарным методом цилиндрического зонда на основе ТПС. Оба метода реализованы на основе одного измерительного зонда с использованием ТПС цилиндрической конструкции из медного микропровода. Одновременная реализация методов позволяет проводить обработку результатов измерений, используя алгоритмы метода неограниченного шара и нестационарного метода цилиндрического зонда, что повышает достоверность измерений.

6. 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 «Вент Индустрия Ижевск» ГП «Девятый трест», г. Ижевск, что подтверждено актами.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Сяктерева, В. В. Электротепловое моделирование системы «датчик-среда»

при измерении теплопроводности грунта / В. В. Сяктерева, А. А. Зылёв, В. А.

Куликов // Вестник Ижевского государственного технического университета.

Куликов, В. А. Динамические измерения теплопроводности грунта с применением линейного нагревателя–датчика температуры / В. А. Куликов, В. В.

Сяктерева // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2011. – № 2 (50). – С. 137–140.

Куликов, В. А. Экспериментальные исследования информационноизмерительной системы для измерения теплопроводности грунта / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева, К. А. Никитин // Интеллектуальные системы в производстве. – 2011. – № 1 (17). – С. 191–196.

Сяктерева, В. В. Измерение коэффициента теплопроводности грунта методом неограниченного шара / В. В. Сяктерева, А. А. Зылёв, К. С. Третьяков, В.

А. Куликов // Информационные системы в промышленности и образовании:

сб. научн. тр. – Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2008. – С. 134–140.

Зылев, А. А. Моделирование алгоритма измерения теплопроводности грунта на основе электротепловой аналогии / А. А. Зылёв, В. В. Сяктерева, В. А.

Куликов // Информационные технологии в промышленности и образовании:

сб. трудов научн.-техн. конференции факультета «Информатика и вычислительная техника», посвященной 50-летию кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ (25 апреля 2009 г.). – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2009. – С. 265– 6. Никитин, К. А. Алгоритм обработки данных при измерении теплопроводности грунта методом неограниченного шара / К. А. Никитин, В. В. Сяктерева, В. А. Куликов // Информационные технологии в науке, промышленности и образовании: сборник трудов научно-технической конференции факультета «Информатика и вычислительная техника» ИжГТУ (24 апреля 2010 г.). – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. – С. 195–200.

7. Куликов, В. А. Информационно-измерительная система для исследования термопреобразователей сопротивления высокого разрешения / В. А. Куликов, К. А. Никитин, В. В. Сяктерева // Электронные устройства и системы:

межвузовский научный сборник. – Уфа: УГАТУ, 2010. – С. 56–60.

8. Сяктерева, В.В. Совместное моделирование тепловых и электрических процессов в термопреобразователях на основе электротепловой аналогии / В.В.

Сяктерева, В.А. Куликов // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2010. Том 3. Технические науки: сборник научных трудов по материалам международной научнопрактической конференции. – Одесса: Изд-во Черноморье, 2010. – С. 57–59.

9. Сяктерева, В. В. Метод неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта в полевых условиях / В. В. Сяктерева, В. А. Куликов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тезисы докладов 17 международной науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (24–25 февраля 2011 г.). Том 1.

М.: Издательский дом МЭИ, 2011. – С. 475–476.

10. Патент на полезную модель № 105442 (Россия), МПК G01K7/16 / Термопреобразователь сопротивления / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева. Заяв.

12.01.2011. – № 2011101194/28 (Россия); Опубл. – 10.06.2011. – Бюл. № 16.

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613302 от 27.04.2011 / Программа управления измерениями теплопроводности грунта / К. А. Никитин, В. В. Сяктерева; Опубл. – 20.09.2011. – Бюл. 3 (76).