CC BY
29
УДК 628.14
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАСХОДА ВОДЫ
О.В. Акимов1, Ю.М. Акимова2
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Приведено описание программно-аппаратного комплекса, предназначенного для проведения исследований ле-дотермических режимов трубопроводов. Ил. 8.
Ключевые слова: автоматизация измерений, расхода воды; температура; ледовые режимы.
SOFTWARE-HARDWARE COMPLEX FOR MEASURING TEMPERATURE AND WATER DISCHARGE O.V. Akimov, J.M. Akimova
Far Eastern State University of Railway Engineering, 47 Seryshev St., Khabarovsk, 680021.
The authors describe the software and hardware complex designed for the study of ice-thermal regimes of pipelines. 8 figures.
Key words: measurement automatization; water discharge; temperature, ice regimes.
При проведении исследований процессов оледенения трубопроводов необходимо в течение длительного промежутка времени (10..40 часов) проводить периодическое снятие показаний температуры воздуха и воды, теплового потока через стенку трубы, расхода воды, потерь напора и т.д.
Для проведения экспериментальных исследова-
ний по определению интенсифицирующего воздействия опорных конструкций на процесс оледенения трубопроводов был создан лабораторный стенд, помещенный в морозильную камеру. Стенд представляет собой замкнутую систему, состоящую из бака, насоса, экспериментального участка трубопровода с опорой и соединительных теплоизолированных шлангов (рис.
Датчик
температуры
воздуха DS18B2Q
Экспериментальный
участок
трубопровода с
□порой
Иг^ульсные й грубки с
э пектрообогревом
С*
-J
J
Рис. 1
1Акимов Олег Владимирович, кандидат технических наук, доцент.
Akimov Oleg Vladimirovich, Candidate of technical sciences, associate professor, tel.: (4212) 407507, e-mail: [email protected]
2Акимова Юлия Михайловна, преподаватель, тел.: (4212) 407507, e-mail: [email protected] Akimova Julia Mikhailovna, lecturer, tel.: (4212) 407507, e-mail: [email protected]
1). Стенд оборудован рядом датчиков: температуры, расхода воды и разности давления. Продолжительность одного опыта при проведении данных экспериментов составляет, как правило, одни - двое суток. Поэтому результаты измерений необходимо автоматически протоколировать, например, записывать в память персонального компьютера. Кроме того, для оперативного управления процессом протекания эксперимента весьма желательно отображать на экране монитора измеренные величины в виде графиков температуры, расхода воды во времени. Существует опасность, особенно в ночное время, когда нет доступа к экспериментальному стенду, перемерзания экспериментального участка трубы с опорой. Поэтому необходимо для предупреждения данной ситуации увеличивать подачу насоса, что приводит к увеличению выделения тепла в результате трения воды.
Для осуществления контроля изменения температуры и расхода воды был разработан аппаратно-программный комплекс.
Изначально периодическую запись значений температуры предполагалось осуществлять с помощью термометров, сохраняющих результаты измерений во внутренней памяти (например, Р!икв-54). Накопленные в памяти данного термометра результаты измерений могут быть считаны в персональный компьютер для их дальнейшей обработки. Однако передача измеренных значений в реальном масштабе времени в этих приборах не предусмотрена. Поэтому было принято решение разработать собственный комплекс, а термометры Р!ике-54 использовать для периодического контроля измерений.
Для измерения температуры с записью результатов в компьютер можно использовать следующие датчики: термопары, металлические и полупроводниковые термометры сопротивления и интегральные датчики.
Наибольшую точность измерения температуры можно достичь, используя платиновые термометры сопротивления. Однако их применение осложняется необходимостью компенсации сопротивления соединительных проводов, что требует создания прецизионных схем.
Полупроводниковые термометры сопротивления характеризуются значительно более высокой чувствительностью и могут иметь существенно более высокое сопротивление по сравнению с металлическими термометрами сопротивления, но вместе с тем обладают существенной нелинейностью зависимости сопротивления от температуры, а также низкой взаимозаменяемостью, что требует проведения тщательной калибровки создаваемого на их основе прибора.
Использование термопар осложняется проблемой измерения или компенсации температуры «холодного» спая. Кроме того, точность измерения ими в области 0 0С не достаточно высока в виду того, что тер-моЭДС при данной температуре близка к 0. В этом случае сигнал помехи может существенно превысить полезный сигнал.
В настоящее время доступны интегральные датчики температуры, представляющие собой эквивалент
полупроводникового стабилитрона с малым (менее 1 Ом) дифференциальным сопротивлением и нормированным температурным коэффициентом напряжения стабилизации. Например, датчики, выпускаемые фирмой National Semiconductor - LM335Z. Датчики характеризуются низкой ценой, удобством подключения к измерительной схеме, но вместе с тем и недостаточно высокой точностью. Фирма гарантирует точность измерения порядка 2 0С, хотя имеется возможность калибровки для обеспечения точности 0,5 0С.
Все перечисленные виды датчиков для ввода информации в персональный компьютер требуют использования прецизионных измерительных усилителей и аналого-цифровых преобразователей. В процессе работы экспериментальная установка является источником достаточно сильных электромагнитных помех, которые создаются асинхронными электродвигателями компрессоров холодильных машин, коллекторными электродвигателями насосов, тиристорными схемами управления электродвигателями насосов. Поэтому необходима тщательная защита аналоговых измерительных устройств от помех, что не всегда легко осуществить.
Для измерения температуры можно использовать также цифровые интегральные датчики температуры, принцип действия которых основан на подсчете количества импульсов, вырабатываемых генератором с низким температурным коэффициентом во временном интервале, который формируется генератором с большим температурным коэффициентом. Примером таких датчиков является датчик DS18В20 фирмы DALLAS Semiconductor (в настоящее время фирма MAXIM). Подробное описание датчиков можно найти на сайте фирмы изготовителя по адресу http://pdfserv.maxim-ic.com/arpdf/DS18В20.pdf.
Датчики оснащены однопроводным интерфейсом 1-Wire. Каждому датчику на заводе присвоен уникальный 48-битный номер, что позволяет, подключив несколько датчиков к одному проводу, осуществить измерение температуры в нескольких точках, периодически их, опрашивая. Поскольку персональный компьютер не обладает однопроводным интерфейсом, датчики подключаются к последовательному порту компьютера с помощью несложного адаптера (рис. 2).
Рис. 2
Для защиты от внешних воздействий и электрической изоляции датчики помещены в термоусадочные трубки. Кроме того, датчики, используемые для измерения температуры воды, закреплялись внутри медных гильз, внутренняя полость которых заполнялась теплопроводной кремнийорганической пастой КПТ-8, использующейся, например, для обеспечения теплового контакта между процессором компьютера и радиатором (рис.3).
Для работы с датчиками разработана программа, скриншот которой представлен на рис. 4. Программа с заданным интервалом времени записывает результаты измерения в файл и отображает результаты изме-
измерения температуры ± 0,5 0С в диапазоне от минус 10 до плюс 85 0С. Проведя калибровку датчиков, точность измерения температуры можно существенно повысить. Для этих целей использовался тающий лед при нормальном атмосферном давлении. Лед получен замораживанием бидистиллята.
Кроме того, периодически контролировалась измеряемая температура платиновыми термометрами сопротивления для установления закона систематической погрешности датчиков. В результате получена достаточно простая и удобная система измерения и регистрации температуры.
После успешной апробации системы программа была доработана с целью создания возможности управления холодильными машинами морозильной камеры, устройствами подогрева импульсных трубок и насосами. Штатное термореле морозильной камеры, обладающее невысокой точностью, было отключено, а вместо него включена несложная электронная схема, управляемая через параллельный порт компьютера. В результате существенно упростилось управление температурным режимом камеры и повысилась точность поддержания температурного режима проведения эксперимента. Включение насосов осуществляет-
¿¡Й51(1!0 Й.2Й
СТйЛ Нас:р»к11 ВыхйД
аооо ап-^ом-о.о
— ,- °С
Рис. 4
рения за последний час в графическом виде. ся при снижении температуры воды до плюс 10С,
Дискретность измерения температуры составляет включение устройств подогрева при снижении темпе-0,0625°С. Фирма-производитель гарантирует точность ратуры воздуха в морозильной камере ниже 0°С.
Рис. 5
Для измерения расхода воды первоначально предполагалось использовать переносной ультразвуковой расходомер с накладными датчиками PORTAF-LOW 300. У данного прибора имеется накопитель данных, а также возможность считывания сохраненных данных в память компьютера. Однако отсутствует возможность передачи измеренных расходов в реальном масштабе времени. При проведении экспериментов данный прибор работал крайне неустойчиво. Поэтому расходомер PORTOFLOW 300 был заменен ультразвуковым врезным расходомером SONO 2500 CT.
Расходомер SONO 2500 CT представляет собой единый блок, состоящий из корпуса с ультразвуковыми преобразователями, преобразователя сигналов, закрепленного на корпусе, и кабеля для подключения к тепловычислителю (рис. 5). Для измерения расхода два ультразвуковых датчика, работающие и как передатчики, и как приемники, установленные на входе и выходе расходомера, посылают одновременно ультразвуковые сигналы.
Один из сигналов идет по направлению потока, другой - против. Следовательно, сигналы не достигнут противоположных датчиков одновременно. Чем больше расход воды, тем больше временная задержка между приходом сигналов к противоположным датчикам. Встроенный в расходомер преобразователь сигналов преобразует данное время задержки в импульсный сигнал, частота которого пропорциональна расходу воды (рис. 6).
3,9мс
11,7ме
I
2с
Рис. 6
Цена одного импульса для расходомера калибра 50 мм равна 7,5 импульсов/л.
Расход воды определяется следующим образом:
Q =
n
7,5 • 2
где п - количество импульсов за двухсекундныи интервал; 7,5 - цена одного импульса; 2 - интервал времени.
Относительная погрешность измерения расхода:
• в диапазоне 0,02 0тах..0тах - не более ± 2%;
• в диапазоне 0,01 Ртах..0,02 Отах - не более ± 5%. Межповерочный интервал прибора 4 года. Сред-
нии срок службы 12 лет.
Для совместной работы с данными расходомерами выпускаются тепловычислители. С их приобретением возникли сложности, поэтому было решено под-
ключить расходомер SONO 2500 CT к параллельному порту персонального компьютера через опторазвязку.
Измерение частоты импульсов и расчет соответствующего ей расхода осуществлено программным способом.
Как известно операционная система Windows не относится к операционным системам реального времени. Используя ее, невозможно измерять столь малые интервалы времени (менее 50 мс). Поэтому программное обеспечение разработано под операционную систему Dos.
Алгоритм блока измерения расхода представлен на рис. 7.
Рис. 7
Рис. 8
Программа написана на языке Borland Pascal 7.0. Подпрограмма измерения частоты импульсов написана на встроенном в Borland Pascal Assemblere.
Отображение измеренных расходов на экране монитора показано на рис. 8.
Проведена поверка измерительного комплекса. В области малых расходов поверка осуществлялась объемным методом. В области больших расходов для оценки показаний использовались крыльчатый водомер Minomess ETK, имеющий аналогичную относительную погрешность, и электромагнитный счетчик-расходомер РМ-5-Т, погрешность, которого не превышает ± 2 % (в области больших расходов ± 1 %).
В заключение следует отметить, что за время проведения экспериментов в течение 3 лет комплекс показал высокую надежность при требуемой точности измерений.
УДК 621.06
ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАННИЯ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКИХ СЕЙСМОИЗО-ЛЯТОРОВ В МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЯХ Д.С. Готовский1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Введение нелинейных упругопластических элементов приводит к неизбежной связанности колебательных мод, способных осуществлять энергетический обмен, в этом случае приведение исходной многосвязной системы уравнений к раздельным дифференциальным уравнениям (дающим решение спектральным методом) невозможно. Предложенная автором статьи методика расчета зданий, снабженных сейсмоизоляторами как кинематическими, так и упругопластическими, основана на численном моделировании нестационарных процессов динамического взаимодействия нелинейно-связанных подсистем. Ил. 5. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: сейсмоизоляция; численные методы; модель Давиденкова; упруго-пластический элемент; динамическая модель.
A NUMERICAL MODEL OF ELASTOPLASTIC SEISMOINSULATOR PERFORMANCE IN MULTI-STOREY BUILDINGS
D.S. Gotovsky
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Introduction of non-linear elastoplastic elements leads to the inevitable coupling of vibrational modes, able to exchange energy. In this case the reduction of the original multiply connected equation system to separate differential equations (producing the solution by the spectral method) is impossible. The author proposes a procedure to calculate buildings equipped with seismoinsulators both kinematic and elastoplastic. This procedure is based on numerical simulation of nonstationary processes of dynamic interaction of nonlinear coupled subsystems. 5 figures, 4 sources.
Key words:seismic insulation; numerical methods; Davidenkov's model; elastoplastic element; dynamic model.
В условиях плотной застройки современных городов и увеличения цены на землю под строительство многие проектировщики и заказчики делают ставки на повышение этажности зданий. В районах, где существует опасность землетрясений, увеличение количества этажей здания может вызвать трудности в обеспечении сейсмостойкости конструкции. Одним из наиболее перспективных направлений по предотвращению
разрушения зданий и сооружений от любых видов колебательных процессов является внедрение в конструкцию упругопластических элементов.
Упругопластические сейсмоизоляторы предназначены для откачки потенциальной энергии здания и понижения интенсивности напряженно-деформированного состояния расчётной области в процессе сейсмического воздействия. Эффект подавления
1Готовский Дмитрий Сергеевич, аспирант, тел.: 89501020118, e-mail: [email protected] Gotovsky Dmitry Sergeevich, postgraduate student, tel.: 89501020118, e-mail: [email protected]
