Автоматизированная система для измерения ТФС

Из изложенного следует, что описанная выше методика вычисления значений коэффициентов температуропроводности а_х, теплопроводности λ _х и объемной теплоемкости с_х r _х достаточно сложна. Использовать эту методику для обработки экспериментальной информации можно только с применением вычислительной техники. Учитывая, что рассматриваемый метод и устройство предназначены для экспрессного определения теплофизических свойств жидкостей, была поставлена и решена задача разработки автоматизированной системы научных исследований для измерения теплофизических свойств жидкостей (АСНИ-ТФС). Структурная схема изготовленной АСНИ-ТФС, изображенная на рис. 7.4, включала в себя информационно-вычислительный комплекс ИВК типа «Искра-1256» в комплекте с аналого-цифровым преобразователем АЦП и цифро-аналоговым преобразователем ЦАП; блок управления БУ; блок питания БП; измерительное устройство ИУ, мостовую измерительную схему МИС и усилитель постоянного тока УПТ. Нагревателю и термометрам сопротивления измерительного устройства, ранее обозначенным на рис. 7.3 цифрами 4, 3 и 7, на рис. 7.4 присвоены позиции соответственно R, RK1 и RK2.

Блок-схема алгоритма функционирования АСНИ-ТФС приведена на рис. 7.5. Перед началом эксперимента с клавиатуры ИВК «Искра-1256» вводилось значение толщины слоя исследуемой жидкости, а также дополнительная информация, содержащая фамилию оператора, дату и время начала эксперимента, название исследуемой жидкости, значение коэффициента объемного расширения b и коэффициента кинематической вязкости n исследуемой жидкости.

Рис. 7.4 Структурная схема АСНИ-ТФС

Рис. 7.5 Алгоритм функционирования АСНИ-ТФС

Для уменьшения количества данных, вводимых с клавиатуры, в программе обработки экспериментальной информации были заданы следующие константы:

а _э1, а _э2, λ_э1, λ_э2 – коэффициенты температуропроводности и теплопроводности эталонных материалов;

толщина стенки защитного стакана 2 (см. рис. 7.3);

p, k – значения, используемые для вычисления параметров (p ₁ = p, p ₂ = kp) преобразования Лапласа;

R, S – сопротивление и площадь нагревателя 4;

Т_Н, g – параметры зависимости T = T_H + g U_x, определяемые по результатам градуировки мостовой схемы; эту зависимость используют для вычисления разности температур Т по измеренному выходному сигналу мостовой измерительной схемы;

Δτ – период времени, используемый при вводе экспериментальных данных;

e – допустимое значение критерия e_т окончания подготовительного и основного этапа эксперимента,

,

где Т_i, T_{i –1} – значения разности температур Т на i -м и (i – 1)-м временных шагах.

В течение подготовительного этапа эксперимента с периодом времени Δτ, задаваемым таймером ИВК «Искра-1256», осуществляется измерение посредством АЦП значений выходного сигнала U_x.

На каждом временном шаге вычисляются текущие значения температур

и текущие значения критерия

Подготовительная стадия эксперимента заканчивается при выполнении условия

,

где e = 0,01 – заданная в программе константа.

В начале основной стадии эксперимента включается напряжение питания U _нагр нагревателя 4. Затем с периодом времени Δτ через АЦП вводят в память ИВК «Искра-1256» значения сигналов и напряжение питания U _нагр нагревателя 4. На каждом временном шаге основной стадии вычисляются текущие значения:

– разности между температурой верхнего теплообменника 6 и температурой подложки 5 в плоскости с координатой ,

– поверхностной плотности источника тепла

– критерия окончания основной стадии эксперимента

причем, разность температур (в конце подготовительного этапа) измеряется термометрами сопротивления 3 и 7 непосредственно перед включением нагревателя 4.

Основная стадия эксперимента заканчивается при выполнении условия

.

На следующей стадии осуществляется обработка экспериментальной информации, хранящейся в оперативной памяти ИВК «Искра-1256». При этом вычисляются по формулам Симпсона [29, 30] значения временных интегральных характеристик Т ^*(р_j) и q ^*(p_j) для двух значений параметра p_j (j = 1, 2) преобразования Лапласа:

;

,

где j = 1, 2; T_i, q_i – значения разности температур Т (τ) и плотности q (τ) источника тепла в моменты времени τ_i = i Δτ, i = 1, 2, 3, …, k, причем k – четное число.

Затем вычисляют значения параметров C ₁(p_j), C ₃(p_j), C ₄(p_j), a _j и корень g_x уравнения (7.33). Для контроля рассчитывается значение числа Релея

.

С печатающего устройства выводится протокол эксперимента.

Изготовленную АСНИ-ТФС и измерительное устройство можно использовать для измерения теплофизических свойств как жидкостей, так твердых и сыпучих материалов. При измерении свойств твердых материалов исследуемый образец должен иметь форму диска диаметром 90 ± 2 мм и толщиной 2…4 мм. Калиброванные кольца при этом не используются. Для уменьшения влияния контактного теплового сопротивления на торцевые поверхности твердого образца следует нанести тонкий слой смазки, например, силиконовое масло.