CC BY
12
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПЛАСТИНЧАТОЙ ФОРМЫ ПРИ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЯХ II
РОДА
Большее К.Н.1
канд.техн. наук, с.н.с.,
Заричняк Ю.П.2
доктор физ.-мат. наук, проф,
Иванов В.А.1
доктор техн. наук, в.н.с.
1) ФГБУНИнститут физико - технических проблем Севера им. В.П.Ларионова СО РАН, 677891, г. Якутск, ул.
Октябрьская, 1
2) Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и
оптики, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49
АННОТАЦИЯ
Статья посвящена методу определения теплопроводности твердых тел пластинчатой формы при граничных условиях II рода. Новый подход основывается на решении задачи нагрева плоскопараллельной неограниченной пластины постоянным тепловым потоком. Дано описание теоретической базы, решение задачи и вывод рабочей расчетной формулы. Основным отличием разработанного метода от традиционного стационарного метода определения теплопроводности является использование начальной области термограммы разогрева образца. Это существенно сокращает время эксперимента ( до нескольких минут ).
Для реализации метода разработана автоматизированная установка. Дано описание установки, ее схема, алгоритм и состав программного обеспечения. Автоматизация производилась на базе компьютерно - измерительной системы «Аксамит 6.25» и персонального компьютера.
Преимущества разработанного метода и автоматизированной установки заключаются в существенном сокращении длительности эксперимента при обеспечении необходимой погрешности измерения.
ABSTRACT
The paper considers a method ofdeterminingthermal conductivity at the initial Sage of heating. This approach is based on the solution of the problem of heating unlimitedplane-parallel plate with con^ant heat flux. The theoretical basis, the solutionand derivation of acalculating formulaare described. The main difference of the developed method from the traditional Sationary 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 equipmentwas developed to implement the method. The paperpresents its description, inflation diagram, algorithm and contents of the software. Automation was carried out on a basis of computerized measuring sy&em "Aksamit 6.25" and a personal computer.
The advantages of the method and an automated inflation lie in the short duration of an experiment and the required accuracy of the measurement.
Ключевые слова: температура, метод определения теплопроводности, автоматизация.
Keywords: the temperature, method of thermal conductivity measurement, automation.
Теория метода
В лаборатории теплофизики Института физико-технических проблем Севера СО РАН в разные годы проводились работы по автоматизации физического эксперимента[1-4]. Данная разработка является продолжением и развитием работ [1-4].
Теоретические основы метода состоят в решении задачи нагрева плоскопараллельной неограниченной пластины толщиной 2R воздействием постоянного теплового потока q. Зная распределение температуры по высоте плоского образца в любой момент времени и решив обратную задачу, мы можем получить выражения для теплопроводности исследуемого материала.
Поставленная задача математически имеет вид:
dT(x,z) д2Т(х,т)
—ь—'- = a-\—L; - R> x> R, т> 0
дт x ;(1)
T(x,0) = T0 = const
;(2)
TRT) q = 0
dx Л ;(3)
Т(0,т) = 0
dx .(4)
Решение данной задачи представлено следующим выра-жением[5]:
Тхт)- Т =
С
Я
ат Я-Зх" )л_1 2 х ( 2 )
,(5)
где цп - корни характеристического уравнения, равные цп=пп.
Используя данное решение, мы получаем следующую схему нахождения теплофизических свойств материала на начальной стадии нагрева (Р0<0,3)
В безразмерном виде (5) имеет следующий вид:
К - Ло - 6 +1 (£ + ^ ^^ехр^ЛЛ)
;(б)
Т(х,т)-Т0
в = у '-0; К, =-
qR
где Т-То ' Я(Т-То);
Из (8) найдем:
^ = о,5
К1 К1 п=1
1)п+1 2(Со^^п - 1)еХР(- АР0 )
М2 ;(9)
2СОЛп ехр(-ЛЛ)
й 1 ОТ
К=л +1+е(- 1Г 2
К, 3 п=1 Мп
;(1о)
о ^ 1
Т = р
1)п+1 2ехР(-М,; Ро)
п=1 Лп (11)
Отношение температур поверхности и центра пластины 0п/0ц равно:
„ 1 1)п+1 2СоЛпехР(-ЛП2ло)
а т(р ) т Л + 3 + Л(-1) 2
вп = Т(Я,т)-Т0 = 3 п=1_Мп_
в - Т(0т)-Т0 " 1 Лп+!2ехр(-м^л0) л0 -7 + А(-1) -2-
6 п=1 Мп . (12)
Из решения (12) можно найти F0, фиксируя Т(Я,т), Т(0,т) и Т0 разными методами. Мы используем метод аппроксимации и метод итерации[6].
Выражения (8) и (9) дают расчетные формулы для нахождения теплопроводности исследуемого образца:
(7)
Я =
Л +1/3 + ]г(- 1)п+12СауМпехР(-МпЛо)
п=1
Мп
9Я
T(R,т)-T,
,(13)
или
2АТ
А
(14)
где
АТ = Т(Я,т)-Т(0,т)
Таким образом, зная значения q, Я, АТиз эксперимента и определив F0 из решения (12), мы по формуле (13 - 14) находим теплопроводность пластины.
Функциональная схема и работа установки Функциональная схема установки приведена на рисунке 1. Основной частью измерительной ячейки является плоский нагреватель 2 из константанового провода и хро-мель-алюмелевые термопары 3.
Рисунок 1 - Измеритель теплопроводности образца в форме пластины. 1 - образец, 2 - нагреватель, 3 - термопары
Плоский нагреватель расположен между двумя исследуемыми образцами с идентичными геометрическими размерами, спай дифференциальной термопары располагается в центре и на поверхности образца, а абсолютная термопара -на нагревателе. С помощью нагревателя создается тепловой поток. Разность температур в центре и на поверхности образца измеряется дифференциальной термопарой, температура нагрева образца - абсолютной термопарой. Термопары через термостатированный блок опорных спаев подключены к коммутатору, также в блоке опорных спаев находится образцовый термометр сопротивления ТСПН-4, контролирующий температуру блока. Нагреватель включается замыканием управляющего реле цифроаналоговым преобразователем ЦАП-5 на выходе из КИС Аксамит 6.25».
Управляющее компьютерное приложение (рисунок 2), разработанное для определения теплопроводности плоского образца, включает в себя:
1. режим проведения эксперимента;
2. режим проведения эксперимента (продолжение);
3. режим контроля температур;
4. режим тестирования термопар и ЦАП;
5. окончание эксперимента.
Работа начинается с режима 1, при запуске которого компьютер запрашивает первичные характеристики исследуемого образца (вес, толщину), дату эксперимента, данные оператора, силу тока, протекающего через нагреватель. После завершения диалога на экран выводится дата проведения эксперимента, фамилия оператора, параметры исследуемого образца, его вес, рассчитанная плотность и площадь поверхности образца, а также величина теплового потока, проходящая через образец.
Далее начинается измерение температур, выполняется исключение помех от паразитных термоЭДС посредством измерения, переключения и инвертирования закороченных каналов коммутатора, программа проводит десятикратное измерение температуры образца, вычисляет среднее измеренное значение температуры и включает реле нагревателя. В этот момент начинается отсчет времени и регистрация температуры в образце. На экран выводятся значения температуры в центре и на поверхности образца.
Имя программы Описани е переменных Данные констант Меню программ
1. Режим опроса термопар и ЦАП 2. Режим ввода с дисковода 3. Режим вывода на дисковод 4. Режим эксперимента 5. Режим эксперимента (продолжение) 6. Контроль температуры 7. Конец эксперимента
Основная программа
Подпрограммы
Рисунок 2 - Блок схема рабочей программы измерителя теплопроводности образца в форме пластины.
Блоки программы:
1. 2. тора
3.
4.
Измерение напряжения нагревателя
Измерение нулей на закороченных концах коммута-
Калибровка компьютерно-измерительной системы Измерение значения температуры в центре образца, перепада температур
5. Нахождение теплового потока
6. Вычисление числа Фурье Fo
7. Вычисление температуры абсолютной термопары ХА
8. Вычисление температуры дифференциальной термопары ХА
Далее программа вычисляет значение числа Фурье Fo. Для этого используются следующие соотношения. Отношение температуры на поверхности образца к температуре в центре :
Т
А п
Т
* о
.(15)
Л = 1+
1 3
£ (- 1)п+1 2СОБ/Лп ехр (МЛо)
п=1
2 Мп
;(1б)
Л =
1 +£(- 1)п+12ехр(-2мп2л0 )
6 п=1 Мп
л л 6
-г Ч< 0,1-10 -6
Л Л2
1 или 2 ,
(18)
где Л или Л ряд имеет на один член меньше чем F1 р
или F2. 0 определяется по формуле:
Л - zF^
Ло =
z-1
.(19)
Температура поверхности и центра образца может быть рассчитана по сумме рядов:
п .(17)
Ограничение членов бесконечного ряда производится по следующему критерию:
Найденное Л сравнивается с заданными F0 и методом последовательных приближений определяется истинное для данной температуры значение.
Теплопроводность образца определяется из соотношения:
^К^2^1)/Тц-Тп.(20)
В конце цикла на экран выводится температура текущей точки, значение теплопроводности, время, после чего система переходит к новой запрограммированной температуре определения теплопроводности. Как показали эксперименты на образцовом материале из ПММА (полиметилметакри-лат), при F0 = 0,2 - 0,3 получается необходимая минимальная погрешность измеренных значений теплопроводности. Длительность эксперимента от 1 минуты до 30 минут в зависимости от толщины и теплофизических свойств исследуемых образцов.
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. 15-21
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. Лыков А.В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.
6. Мелентьев П. В. Приближенные вычисления / П. В. Мелентьев. - М.: Физматгиз, 1962. - 388 с.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ОБЩЕЙ ОТРАСЛЕВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Каракозова Ирина Викторовна
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры "Менеджмент и инновации"МГСУ, г.Москва
АННОТАЦИЯ
В статье затронута проблема отсутствия в настоящее время теоретического обоснования процесса создания общего информационного пространства, на основе которого возможно эффективное использование основных видов ресурсов в период управления процессами на всех стадиях жизненного цикла строительного объекта. Отдельно выделены проблемы классификации и создания системы кодирования материально-технических ресурсов, учитывающих их основные свойства и характеристики, а также необходимость создания в составе информационной системы блока управления требованиями.
ABSTRACT
The article is dedicated to the problem of the absence of any theoretical ju^ification of the process of the creation of the general information space, which would make the effective use of the main types of resources possible during the processes management at all the Sages of life cycle in contraction. The problems of classification and the problem creation of the sytem of coding of the material resources considering their main properties and characteri^ics, as well as the need of creation of any requirements management unit as a part of the information sy^em are separately considered.
Ключевые слова: информационная система, классификация и кодирование структурных элементов, база данных, технологически однородные группы ресурсов, материально-технические ресурсы, управление требованиями
Keywords: information sy&em, classification and coding of Sructural elements, database, technologically uniform groups of resources, material resources, management of requirements.
Актуальность данного вопроса определяется необходимостью теоретического обоснования и последующего формирования инструментария для использования его при создании общего единого информационного пространства с целью сокращения сроков, снижения затрат и минимизации рисков в течение всего жизненного цикла объектов в строительстве. С одной стороны происходит интенсивное обновление и развитие строительной отрасли и в связи с этим появляется острая необходимость в информационных системах, позволяющих принимать решения своевременно, качественно, открыто и со всей ответственностью. С другой стороны организации строительной отрасли не в полной мере готовы переходить к такому открытому формату общения, требующему значительных временных и финансовых затрат. В связи с этим возникает необходимость обоснования создания единого информационного поля с целью получения и передачи сведений на всех стадиях жизненного цикла строительного объекта от зарождения идеи его строительства и до его ликвидации.
К принципам разработки различных систем классификации и кодирования различных элементов в строительстве можно отнести актуальность, однозначность, упорядочен-
ность и автоматизацию. Разрабатываемые системы должны отражать существующее состояние рынка современных ресурсов, работ, объектов в строительстве и обеспечивать однозначное восприятие данных при их описании. Поскольку в настоящее время в строительстве широко используются информационные технологии, то создаваемые классификаторы и системы кодирования должны представлять собой организационную структуру взаимосвязанных элементов, позволяющую последовательно получать информацию о заданном элементе с целью автоматизированной обработки получаемой информации и поиска оптимального решения поставленной задачи.
В настоящее время в строительстве используются различные классификаторы объектов, работ, конструкций, ресурсов. Например, состав объектов и комплексов представлен в Общероссийском классификаторе основных фондов ОКОНФ, действующем с 01 января 1996 года. Виды работ, выполняемые в строительстве, перечислены в Общероссийском классификаторе видов экономической деятельности. Однако расширенный перечень видов работ, выполняемых в строительстве, можно увидеть в действующих сметно-нор-мативных базах, где на основе элементных сметных норм и
