CC BY
39
наветренной стороне - 10-35 м, в подветренной - от менее 10 до 20 м. г> 5. Автомобильные дороги V категории. Интенсивность движения менее 100 авт./ сут. Ширина полосы придорожных земель, загрязненных свыше ПДК, - менее 10 м.
Итак, у дорог 1-1II категорий ширина полосы придорожных земель, загрязненных свыше ПДК, довольно значительна. Содержание свинца в почвах очень высоко на первых 10 м от дороги. Затем оно резко снижается, но остается еще довольно высоким на расстоянии 30-60 м от дороги, особенно у автодорог I и II категорий.
Несмотря на способность почв к биологическому самоочищению, в результате антропогенной перегрузки происходит их деградация, снижение экологической чистоты.
Свинец и его соединения являются очень ядовитыми. Попадая в организм человека по экологической цепочке “по-чва-растение-животное-человек’’ они откладываются в печени, мышцах и ко-
стях. Вредное воздействие свинца и его соединений выражается в разрушении эритроцитов, нарушении кроветворной функции костного мозга и обмена веществ в организме (белковый, минеральный, витаминов). Тяжелая форма проявления отравления - свинцовая колика, обуславливающая изменение крови, появление малокровия, гипертонии и расстройства организма, связанное с поражением вегетативной нервной системы. При очень тяжелых отравлениях свинцом возможны параличи. Внешняя форма проявления отравления - боли в животе и запоры.
Для уменьшения ореола распространения аэрозолей свинца и снижения степени загрязнения почв рекомендуются посадки зеленых насаждений вдоль дорог и установка экранов. Прилегающие к автомобильным дорогам земли, где загрязнение почв свинцом превышает ПДК, нельзя использовать для выращивания сельхозпродуктов, устройства садов и огородов граждан, а также для выпаса скота и заготовки трав.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО МЕТОДА ПЛОСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОЧВЫ
А.Г. Болотову С.
Теплофизическое состояние почвы характеризуется совокупностью коэффициентов теплоаккумуляции и теплопередачи: объемной теплоемкостью (ср), теплопроводностью (X) и температуропроводностью (а).
Для их определения нами использован импульсный метод плоского источника тепла. Такие методы основаны на закономерности выравнивания температурного поля в неограниченной среде после прекращения действия источника тепла. Особенностью такого процесса является наличие максимума температуры исследуемой точки среды. Время наступления максимума и его величина зависят от теплофизических параметров среды, которые можно найти из решения
В. Макарычев
уравнения Фурье с известными граничными условиями.
Большинство существующих методов определения теплофизических характеристик основаны на решении линейного дифференциального уравнения теплопроводности;
— = аУ2Г. дт
0)
В случае действия мгновенного плоского источника тепла решение уравнения (1) разными авторами дает следующие расчетные формулы для определения коэффициента температуропроводности
[2]:
а -
2тг
<Ра
(2)
Здесь зависимость (ра от параметра Ф0=тн/тт дается выражением:
<Ро
(3)
Ї /
<Ро
ІП
Выражение для определения температуропроводности с учетом времени действия нагревателя и его теплоемкости [1]:
а -
71
0,5 + 0,968
С
н
ЯхСр
(4)
где Сн - удельная теплоемкость нагревателя; :
ср - объемная теплоемкость почвы;
8 - площадь нагревателя; тн- время действия нагревателя; о**с. тт- время максимума теплового импульса в точке, расположенной на расстоянии х от нагревателя.
Для практической реализации совокупности рассмотренных методов была разработана и создана автоматизированная система на базе АП7715 (рис. 1).
г. ... . , . • хт
И •' ? ‘ <ЛТУі1
Рис, 1. Структурная схема автоматизированной системы для исследования теплофизических характеристик почв: 1 — калориметрическая часть; 2 — коммутатор датчиков температуры; 3 — ключи; 4 — АЦП; 5 — демультиплексор; 6 — ПЭВМ • - ‘
Исследуемые почвенные образцы имеют форму прямоугольного параллелепипеда длиной 10-12 см. В центральной части образца размещается источник тепла, и на расстоянии 8-10 мм от него — датчик температуры.
Чтобы исключить влияние температурных перепадов окружающей среды, образцы помещаются в термокамеру. Постоянство температуры обеспечивает автоматический термостат. Автоматизированная система позволяет одновременно
й.
измерять теплофизические характеристики восьми почвенных образцов.
Плоский источник тепла выполнен из константановой проволоки диаметром 0,1 мм в виде спирали с шагом 1 мм, заключенной между металлическими пластинами. Пластины служат для увеличения механической прочности нагревателя и обеспечения равномерности теплового потока. Постоянство потока тепла от нагревателя в исследуемый образец обеспечивается стабилизированным источником питания. Управление работой нагревателей осуществляют транзисторные ключи 3,
открываемые сигналами, поступающими с демультиплексора 5.
В качестве датчиков температуры использованы точечные полупроводниковые диоды. Датчики температуры поочередно подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя 4 коммутатором 2. Коммутатор и демультиплексор реализованы на цифро-аналоговых мультиплексорах К561КП2. Адрес, соответствующий номеру включаемого канала, поступает с ПЭВМ. В качестве преобразователя напряжения датчика в код применен 16-раз-рядный сигма-дельта АЦП AD7715 фирмы Analog Devices [3].
По сравнению с другими типами АЦП сигма-дельта АЦП обладают лучшими характеристиками по точности, простоте исполнения, стоимости и помехозащищенности. Наличие встроенного программно-управляемого усилителя позволяет подключать датчик температуры непосредственно к входу АЦП, не используя при этом измерительный мост и инструментальный усилитель. АЦП содержит четыре регистра, которые задают режим его работы. К ним можно обращаться через последовательный порт.
Управление АЦП и нагревателями осуществляет персональный компьютер, совместимый с IBM PC через LPT-порт. Программное обеспечение написано на языке высокого уровня BORLAND PASCAL.
Работа устройства начинается с подачи импульса на транзисторный ключ, управляющего работой нагревателя. После включения или сброса АЦП ожидает запись в регистр связи. По линии DATA IN ПЭВМ записывает в этот регистр код, определяющий коэффициент усиления встроенного усилителя, частоту дискре-
тизации, операцию чтения 16-раз рядного регистра данных и переходит в режим опроса линии DRDY, которая становится активной при завершении процесса преобразования. После этого данные считываются в компьютер по линии DATA OUT.
Код, считанный с АЦП, переводится в температуру по формуле: Т=а + bU, гдеТ -температура;
U - напряжение;
а и b - константы, определяемые в процессе калибровке для каждого датчика.
Некоторые входные параметры вводятся с клавиатуры компьютера: число исследуемых образцов, их плотность, расстояние между нагревателем и датчиком температуры, время действия источника тепла и температура термостатирова-ния.
Организация эксперимента выглядит следующим образом. Подготовленные почвенные образцы с размещенными нагревателями и датчиками температуры помещают в термокамеру. Регулятором термостата устанавливают температуру, при которой будут производиться исследования. Эксперимент начинается с запуска управляющей программы. После установления постоянной температуры в термокамере устройство автоматически измеряет теплофизические характеристики почвенных образцов.
Полученные в результате эксперимента значения температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости выводятся на экран монитора и сохраняются в файле на жестком диске. Кроме этого, регистрируется динамика распространения тепла в исследуемой точке образца (рис. 2).
26.5 26
25.5
Рис. 2. Динамика распространения температуры после воздействия теплового импульса:
1 — в сухом песке; 2 — в сухой почве
Определяемые теплофизические по- мость коэффициента температуропровод-
казатели находятся как среднее арифме- ности от времени действия нагревателя
тическое показателей, измеренных двумя для кварцевого песка и выщелоченного
методами [1] и [2] в трехкратной повтор- чернозема,
ности. На рисунках 3 и 4 показана зависи-
2.2Е-07 ^, м "/с 2,1 Е-07 2,0Е-07 -\ 1,9Е-07 1.8Е-07 И 1,7Е-07 1.6Е-07 1,5Е-07 1.4Е-07 1.3Е-07
Рис. 3. Зависимость коэффициента температуропроводности кварцевого песка от времени действия нагревателя: 1 — метод [ 1]; 2 — метод [2] ***
.т
2,2Е-07Й 2,1 Е-07 -2,0Е-07 -1.9Е-07 -1,8Е-07 -| 1.7Е-07 1.6Е-07 1.5Е-07 -1,4Е-07 -1.3Е-07
м 2/с
10
G-
X-
.X.
•X
30
50
70
■X
tH.C
90
Рис. 3. Зависимость коэффициента температуропроводности выщелоченного чернозема от времени действия нагревателя: 1 — метод [1]; 2 — метод [2]
Эти результаты имеют хорошее согласование с данными, полученными методом линейного источника тепла и методом цилиндрического зонда.
Литература
1. Панфилов В.П., Макарычев С.В.,Лу-нин А.И. и др.Теплофизические свойства
и режимы черноземов Приобья. - Новосибирск: Наука, 1981. ?
2. Поваляев М. И. Труды Моск. ин-та
*
ж.д. транспорта. - 1959. - Вып. 122.
3. 3 V/5V, 450 ца, 16-Bit, Sigma-Delta ADC AD7715. — Analog Devices Inc., 2000.
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОЧВЫ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ ЛИНЕЙНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА
А.Г. Бологпов
Использование импульсных методов при определении теплофизических характеристик дисперсных сред подразумевает наличие нагревателя, размещенного в толще исследуемого образца, и датчика температуры, расположенного на некотором расстоянии от него. Поэтому определение теплофизических характеристик (ТФХ) почвы в полевых условиях с использованием импульсных методов весьма затруднительно. При размещении датчика температуры непосредственно на нагревателе существенно упрощается методика измерений ТФХ. Наиболее просто это реализовать в импульсном методе линейного источника тепла.
Данный метод определения теплофизических характеристик [1] основывается на решении двумерного уравнения теплопроводности для неограниченного тела при действии в нем в течение времени ^кратковременного линейного источника тепла. Это решение получается интегрированием выражения
= Т(х,у,г) - 70 = J в(х, у, z, г) dz{
Q,
4 /гЛ(т -1)
exp
(х-х,)- +(у-Уіу 4а(х -1)
по dt в пределах от нуля до х
(о
0’
