Измерение теплопроводности почвы импульсным методом линейного источника тепла Текст научной статьи по специальности «Математика»

2,2Е-07* 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) dzl

а

4 /гЛ(т -1)

exp

(x-xty +{у-ухУ 4а(т -1)

по dt в пределах от нуля до х

(о

0’

где ® - относительная избыточная температура в произвольной точке тела; X - коэффициент теплопроводности; а - коэффициент температуропроводности;

(2 - количество тепла, мгновенно выделяемого единицей длины линейного источника тепла в момент времени х ~Х

(т > I ).

Решение записывается для точки, на-

х2 +у2

ходящеися на расстоянии

ОТ ^ ^

линейного источника.

Значение максимума избыточной температуры ДТшк=Т{г0,тмш>Т0 в рассма-триваемой точке будет соответствовать определенному моменту времени X =т макс, т.е.

л т =

макс

Яь 4 пХ

*0

Jexp

Если датчик температуры разместить непосредственно на нагревателе, то импульсный метод линейного источника тепла позволяет реализовать упрощенную методику расчета коэффициента теплопроводности (X).

dt

! (2)

Из выражения (2) для точек г0 - О, расположенных на линии действия кратковременного источника тепла в момент времени х,>х0, избыточная температура АТ=АТ запишется так: -т • , ••

7X0,г,)

Т0 - А Т„

Яі

dt

Ч,.

•In

'• f-

4яЯ I г, -1 4жЛ т]

(3)

откуда *

Я = Ч' In Г'-- (4)

4тгАТ г, - г»

Здесь qr - удельный тепловой поток на единицу длины. Значение qL рассчитывают обычным способом, зная длину источника и подводимую мощность.

Для выявления оптимальной мощности нагревателя был проведен эксперимент. Исследования проводились на автоматизированном устройстве, включающем в себя узел аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с мультиплексированием, устройство управления нагревателями и IBM-совместимый компьютер. В качестве преобразователя напряжения датчика в код применен 16-разрядный сигма-дельта АЦП AD7715 фирмы Analog Devices.

Работа устройства начинается с подачи импульса на транзисторный ключ, управляющий работой нагревателя. После включения АЦП ожидает запись в регистр связи. По линии DATA IN ПЭВМ записывает в этот регистр код, опреде-

ляющий коэффициент усиления встроенного усилителя, частоту дискретизации, операцию чтения 16-разрядного 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.

Мощность нагревателя в эксперименте изменялась от долей до единиц ватта. При этом длительность теплового импульса равнялась 20 секундам. Для сравнения: в методе цилиндрического зонда это время в три раза больше.Уменьшение времени работы нагревателя значительно снижает энергопотребление, что актуально в полевых условиях. Исследования показали, что при данной длительности импульса мощность нагревателя может составлять порядка 0,2 ватта. При этом погрешность измерения коэффициента

теплопроводности не превышает 5% дности почвы после окончания действия

(рис. 2), а максимальная избыточная тем- нагревателя. Действительный коэффи-

пература равна 1,5°С, что практически циент теплопроводности вычисляется

исключает массоперенос в прилежащих как среднее арифметическое значений

слоях почвы. коэффициентов стационарной фазы.

На рисунке 1 представлена динамика изменения коэффициента теплопрово-

0.9 X , Вт / (м -К)

0,8 -0,7 0,6 -0,5 ! ' 0,4 -*4 0,3

Ьл 0,1 -

0,0 Ч-------1------1-- ■ • -Г.....1---- -»..-...."Т....- -I.....I......*Г...—«

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Рис. 1. Динамика изменения коэффициента теплопроводности почвы после окончания

действия нагревателя.

*

0,35 Ь,Вт/(м-К)

0,34 0,33 0,32 0,31 0,3 -

--УП

0,29

\Л/, Вт

0,28 т-..........г.............т -.....-..г..•—... ,..-........, .....,

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности почвы от мощности нагревателя

Полученные результаты совпадают со 2. Тепло- и массообмен. Теплотехни-справочными данными [2]. ческий эксперимент: Справочник / Е,В.

Литература Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцев и

1. Вишневский Е.Е. Труды Всесоюзн. др. / Под общ. ред. В. А, Григорьева и В.М. научн.-исслед. кинофотоинститута. - 1958. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982. - 512 с. - Вып. 2 (25). - С. 73-90.

мл’А** -

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОРГАНИЗАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОГО КОНТРОЛЯ ЗА ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И ОХРАНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЗЕМЕЛЬНО-

КАДАСТРОВОГО МОНИТОРИНГА В АЛТАЙСКОМ КРАЕ

Л.М. Бурлакова, В Л. Мерецкий, А. С. Самойлов

ял ^ . •а

Плодородие земель слагается, как известно, большим числом почвенных и климатических факторов, а также зависит от степени антропогенного воздействия на почвенный покров, что обуславливает значительную его динамичность во времени и пространстве. Проблема сохранения почвенного плодородия уже многие десятилетия обсуждается в научных кругах, в системе управления сельскохозяйственным производством, на государственном уровне [3]. Однако, как свидетельствуют почвенные^исследования [1] и данные зе-мельно-кадастрового учета, деградация земель в Алтайском крае активно развивается, уровень и темпы ее развития все более приобретают черты экологической катастрофы. Доминирующим типом деградации почвенного покрова в настоящее время является технологическая (эксплуатационная) деградация, то есть физическое разрушение и агроистощение земель за счет прогрессирующей ветровой и водной эрозии на фоне весьма значительного нарушения баланса органического вещества и минеральных элементов питания в почвах пахотных угодий.

Пути решения этой проблемы во многом определены: это упорядочение землепользования в сельскохозяйственном производстве, то есть приведение к оптимальному уровню соотношения пашни, луга и леса, освоение комплекса противоэрозионных мероприятий, внедрение ресурсосберегающих технологий и другие мероприятия, реальное пре-

творение которых в настоящее время весьма затруднительно в силу экономических условий в сельскохозяйственном производстве.

Среди системы мероприятий регулирования почвенного плодородия и государственного контроля за использованием земель важное значение занимает вопрос их методического обеспечения. Существующие методологические основы проведения этой работы изложены в “Методике определения размеров ущерба от деградации почв и земель” [4], выпущенной совместным решением Роскомзема, Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, согласованной Министром сельского хозяйства РФ, и Президентом Российской академии сельскохозяйственных наук. Последующие директивные документы, не меняя сути методологии, лишь дополняли некоторые аспекты этой методики.

В основу расчета ущерба от деградации земель согласно этой методике положена система коэффициентов пересчета степени деградации земель, назначаемых экспертным путем по результатам сравнительного анализа данных предыдущих обследований: почвенных, агрохимических, эрозионных, солевых и других съемок и состояния параметров почвенного плодородия на момент определения ущерба.

Расчет стоимости ущерба (п. 3.5 “Методики...”) от деградации почв и земель сводится к определению потери ежегодного дохода, который исчисляется