CC BY
12у
Bolshev Konstantin Nikolaevich Candidate of Technical Sciences, senior research associate, FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Medvedev Valery Afanasievich Candidate of Technical Sciences, main specialist FBU "Rostest-Moscow", Moscow Ivanov Vasily Alekseevich Doctor of Engineering, senior research associate FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Andreyev Alexander Semenovich graduate student, leading engineer. FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Большев Константин Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск Иванов Василий Алексеевич доктор технических наук, старший научный сотрудник ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск Медведев Валерий Афанасьевич Кандидат технических наук, главный специалист ФБУ «Ростест-Москва», Москва, Андреев Александр Семенович аспирант, ведущий инженер. ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск
AUTOMATED NITROGEN CRYOSTAT FOR CALIBRATION OF RESISTANCE THERMOMETERS AND THERMOCOUPLES AND FROM -180 TO 50 °C АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ АЗОТНЫЙ КРИОСТАТ ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕРМОПАР ОТ -180 ДО 50 °С
Summary: The article is dedicated to an original developed setting for incremental calibration of temperature sensors. This setting allows automatic calibration of sensors in the range from -180 C to 100 C. The hardware part of the device is a cylindrical structure that is placed in the neck of the standard 30-40 liter Dewar. In the lower part of the device in the heating compartment is placed cell for copper, where calibrated and model temperature sensors are placed. Automating the installation was carried out with the use of computer - measuring system "Aksamit 6.25". Software application has been developed, which automatically controls the calibration process in a predetermined range and at a predetermined pitch, and thermostatic criterion to achieve the status. Calibration can be performed both starting from the minimum predetermined temperature range, and in the opposite direction.
Advantages of a cryostat designed to its compactness, versatility, allowing to calibrate as various kinds of temperature sensors and determine the temperature dependence of other types of sensors (humidity, strain, pressure, etc.), the full automation of the process.
Key words: cryostat, calibration, temperature sensor, automation, software.
Аннотация: Статья посвящена разработанной оригинальной установке для пошаговой градуировки датчиков температуры. Данная установка позволяет производить автоматическую градуировку датчиков в диапазоне от -180 С до 100 С. Аппаратная часть прибора представляет собой цилиндрическую конструкцию, помещаемую в горловину стандартного 30-40 литрового сосуда Дьюара. В нижней части прибора в нагревательном отсеке размещается медная ячейка для размещения градуируемых и образцовых датчиков температуры. Автоматизация установки производилась с применением компьютерно - измерительной системы «Аксамит 6.25». Было разработано программное приложение, которое автоматически управляет процессом градуировки в предварительно заданном диапазоне и с заданным шагом и критерием достижения термостатического состояния. Градуировка может производиться как начиная с минимальных температур заданного диапазона, так и в обратном направлении. Преимущества разработанного криостата в его компактности, универсальности, позволяющей градуировать как различные виды датчиков температуры,
siäil Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #9(13)/2016 так и определять характер температурной зависимости других разновидностей датчиков (влажности, деформации, давления и т.д.), полной автоматизации процесса.
Ключевые слова: криостат, градуировка, датчик температуры, автоматизация, программа.
При проведении теплофизических экспериментов основным фиксируемым параметром является температура. Поэтому, важнейшее значение для достижения правильного результата эксперимента имеет достоверность данных, получаемых с датчиков температуры. Выполняя индивидуальную градуировку первичных преобразователей температуры, мы не только гарантируем достоверность получаемых данных, но и повышаем точность измерений. Это актуально как при использовании самодельных первичных преобразователей, так и при использовании серийно выпускаемых датчиков и сенсоров. В настоящее время рынок предлагает большой выбор приборов и установок для автома-
тической калибровки и градуировки датчиков температуры. Но высокая стоимость такого оборудования сильно ограничивает его доступность при нынешнем уровне финансирования научных учреждений. Самостоятельная разработка такого приборного обеспечения для собственных нужд не только существенно экономит бюджет научного исследования, но также способствует повышению квалификации и универсальности персонала.
Разработанный нами в лаборатории теплофизики Института физико - технических проблем Севера погружной криостат предназначен для градуировки преобразователей температуры в диапазоне от - 180 С° до 100 С° и является продолжением ра-бот[1-5].
Рис. 1 Низкотемпературный криостат КТЛТ.
Рис. 2 Низкотемпературный криостат КТЛТ.
В состав установки входят (рис. 1 и рис. 2): 1. Криостат КТЛТ (Криостат температурный лаборатории теплофизики);
2. КИС "АКСАМИТ-6.25";
3. Транспортный сосуд Дьюара СК-25; Нормальные условия применения установки:
1) температура окружающего воздуха, С - 20+5;
2) относительная влажность окружающего воздуха, % - 30-80;
3) атмосферное давление, кПа(мм рт.ст.) - 84-106(630-795);
4) частота питающей сети, Гц - 50 +-1;
5) напряжение питающей сети переменного тока,В - 220+-22;
Аппаратная часть установки - криостат КТЛТ представляет собой цилиндрическую конструкцию (рис. 1), помещаемую в охлаждаемую среду (морозильная камера или сосуд Дьюара с жидким азотом). Внешняя часть криостата представляет собой вакуумированный теплоизоляционный металлический кожух, внутри его в нижней части под тремя теплоизоляционными пробками расположена медная измерительная ячейка равномерно окруженная нагревательным элементом. В данную измерительную ячейку помещаются градуируемые преобразователи температуры. В качестве контрольного термометра применяется образцовый платиновый термометр первого разряда ТСПН-5.
Автоматизация установки выполнена с использованием компьютерно - измерительной системы «Аксамит 6.25». Данная система имеет 24 -разрядный многоканальный АЦП и 4 выходных канала ЦАП. Система снабжена программными библиотеками на языке Turbo Pascal 7.1., что позволило разработать управляющее приложение для автома-
тизации процесса градуировки. После запуска программы измерения оператор вводит название файла для хранения данных, выбирает тип градуируемых датчиков (термопреобразователи сопротивления, термоэлектрические преобразователи), задает необходимый диапазон градуировки (минимальную и максимальную температуру) а также необходимый шаг градуировки в градусах. Введенные данные сохраняются в файл эксперимента на жесткий диск. Далее КИС "АКСАМИТ-6.25" автоматически согласно заданной программе градуировки выводит ячейку криостата с образцовым термометром и датчиками на начальное значение температуры из заданного диапазона, при этом температура ячейки регулируется по ПИД - закону при помощи цифро-аналогового преобразователя КИС задающего напряжение на нагревательном элементе, которым окружена ячейка. Точность регулировки температуры достигает от 5 до 10 Мк. После достижения и стабилизации заданной равновесной температуры ячейки программа измерения оценивает согласно заданному критерию стабильность сигналов, получаемых от градуируемых термопреобразователей, и по ее достижении производит запись данных в файл. Далее программа через заданный температурный шаг выводит ячейку на следующую температуру. После окончания цикла измерений, программа либо проводит обработку полученных данных по [6] и [8]. Каждому из градуируемых датчиков присваивается свой персональный градуиро-вочный полином, либо формирует данные в виде таблицы для дальнейшей обработки вручную.
-140-
-80-
Рис. 3. Результаты градуировки двух никелевых ТС: R1 -сопротивление, Ом для первого ТС; R2-сопро-
тивление, Ом для второго ТС
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
t C
R1 R2
-8fr
Рис. 4. Результаты градуировки двух платиновых ТС: R1 -сопротивление, Ом для первого ТС, R2-сопро-
тивление, Ом для второго ТС
На рис. 3 и 4 приведены результаты градуировки двух никелевых и двух платиновых термопреобразователей сопротивления, выполненной с применением разработанной установки. Градуировка термопреобразователей производилась по [7] в диапазоне от -20С до +50С.
При поверке использовались следующие зависимости:
Платиновые ТС Для диапазона измерений от минус 200 °С до 0 °С: R0=Rt/[1 + At + Bt2 + ^ - 100°С)Й] (1)
Для диапазона измерений от 0 °С до 850 °С: R0= Rt /(1 + At + B t2), (2)
где Rt - сопротивление при температуре ^ Ом; R0- номинальное сопротивление при температуре 0 °С, Ом;
A,B,C - известные постоянные Никелевые ТС
Для диапазона измерений от минус 60 °С до 100 °С:
R0= Rt /(1 + At + B t2), (1)
Для диапазона измерений от 100 °С до 180 °С: R0= Rt /[1 + At + B t2 + C(t - 100°СП2] (2) где Rt - сопротивление при температуре ^ Ом; R0- номинальное сопротивление при температуре 0 °С, Ом;
A,B,C - известные постоянные. Как видно из градуировочных кривых близкие к линейным зависимости серийных термометров сопротивления отличаются примерно в 0,5 - 1 Ом.
Разработанная установка регулярно применяется нами для градуировки не только первичных преобразователей и датчиков температуры, но и для определения температурных зависимостей других видов сенсоров (влажности, деформации, давления и т.д.). Опыт использования криостата показал, что его с успехом можно применять как с использованием жидкого азота, так и помещая в морозильную камеру, при работе в диапазонах, не
требующих низких температур.
Список литературы
1. Медведев В.А., Большев К.Н., Иванов В.А., Степанов А.А., Елисеев А.Б. Применение технологии IBDL для мониторинга температурного режима грунтов. «Приборы» 2013.- №6.-С.14-20
2. Иванов В.А., Большев К.Н., Малышев А.В Автоматизация прибора для измерения теплопроводности алмазов и оптимизация условий проведения эксперимента. Журнал «Приборы» 2014.- №4.-С.31-35
3. Большев К.Н., Иванов В.А., Степанов А.А., Каминский В.В. Применение барорезисторов из моносульфида самария при проведении теплофизических экспериментов. «Вестник МАХ» 2014, №3, - С. 1521
4. Большев К. Н., Иванов В. А., Малышев А. В. Автоматизация измерителя теплопроводности строительных материалов ИТСМ-1. Известия высших учебных заведений «Приборостроение» Университет ИТМО №4 (59), 2016, С. 323-327
5. Большев К. Н., Иванов В. А., Малышев А. В., Степанов А.А. Определение эффективной теплопроводности базальто-армированного композитного материала методом стационарного теплового режима. Известия высших учебных заведений «Приборостроение» Университет ИТМО №7 (59), 2016, С. 578-583
6. ГОСТ 6616-94 Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия. - М: Изд-во стандартов, 1999. - 12 с.
7. ГОСТ 6651-2009 ГСИ. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2011.
80
-30
20
-10
0
10
20
30
40
t, С
R1
R2
у
8. ГОСТ Р8.624-2006 Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Методика поверки. -М: Стандартинформ, 2007
9. Особенности применения полупроводниковых тензо- и барорезисторов на основе сульфида самария / В. В. Каминский, А. А. Молодых, В. А. Иванов // Научное приборостроение.-2011 - Т. 21. - № 2. -С. 120-126.
10. Система компьютерно - измерительная «АК 6.25», Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М., 1997. - 14 с.
11. Теплофизические измерения и приборы / Е. С. Платунов, С. Е. Буравой, В. В. Курепин и др. / под общ. ред. Е. С.Платунова. - Л.: Машиностроение, 1986. - 256 с.
12. Двухпараметровый датчик комбинированного типа на основе SMS / В. А. Иванов, В. В. Каминский, Н. Н. Степанов // Научное приборостроение. - 2014. - Т. 24. - № 4. - С. 77-80.
Bolshev Konstantin Nikolaevich
Candidate of Technical Sciences, senior research associate FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Zarichnyak Yuri Petrovich doctor of physical-Mat. Sciences, Professor Saint-Petersburg national research University of information technologies mechanics and optics, Saint-
Petersburg
Ivanov Vasily Alekseevich
, senior research associate
FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Timofeev Anatoly Mikhaylovich Doctor of Engineering, head of Department of heat and mass transfer FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Большев Константин Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск Заричняк Юрий Петрович доктор физ.-мат. наук, профессор Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург Иванов Василий Алексеевич доктор технических наук, старший научный сотрудник ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск Тимофеев Анатолий Михалович доктор технических наук, заведующий отделом тепломассообмена ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск
INSTALLATION IN THE INITIAL STAGE OF HEATING (METER THERMAL CONDUCTIVITY OF THE SAMPLE IN THE FORM OF A PLATE) УСТАНОВКА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ РАЗОГРЕВА (ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОБРАЗЦА В ФОРМЕ ПЛАСТИНЫ)
Summary: The paper considers a method of determining thermal conductivity at the initial stage of heating. This approach is based on the solution of the problem of heating unlimited plane-parallel plate with constant heat flux. The theoretical basis, the solution and derivation of a calculating formula are described. The main difference of the developed method from the traditional stationary method of thermal conductivity measurement is the use of the initial area of thermal heating of the sample. This reduces the time needed for an experiment to a few minutes. The automated equipment was developed to implement the method. The paperpresents its description, installation diagram, algorithm and contents of the software. Automation was carried out on a basis of computerized measuring system "Aksamit 6.25" and a personal computer. The advantages of the method and an automated installation lie in the short duration of an experiment and the required accuracy of the measurement.
