Теплофизическая лаборатория низких температур Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

список литературы

1. Кузнецов В. Л., Ведерников М. В., Яндль П., Бирхгольц У. Исследование предельных возможностей термоэлектрического охлаждения при температуре жидкого азота // Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20, вып. 18. С. 75—80.

2. Марков О. И. Моделирование нагрузочных характеристик низкотемпературных термоэлектрических модулей // Там же. 2004. Т. 30, вып.13. С. 7—11.

3. Марков О. И. Моделирование предельных возможностей низкотемпературного охлаждающего термоэлемента // Прикладная физика. 2008. № 4. С. 139—142.

4. Лукьянова Л. Н., Кутасов В. А., Попов В. В., Константинов П. П. Гальваномагнитные и термоэлектрические свойства твердых растворов p-Bi2-xSbx Te3-ySey в низкотемпературной области (<220K) // ФТТ. 2004. Т. 46, вып. 8. С. 1366—1371.

5. Коленко Е. А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. М. — Л.: Изд-во АН СССР, 1963.

Сведения об авторе

Олег Иванович Марков — канд. физ.-мат. наук, профессор; Орловский государственный универ-

ситет, кафедра теоретической физики и математического моделирования; E-mail: [email protected]

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

теоретической физики 05.08.08 г.

и математического моделирования

УДК 536

Е. С. Платунов, И. В. Баранов, А. Е. Платунов ТЕПЛОФИЗИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Представлено описание научно-исследовательской теплофизической лаборатории низких температур, в состав которой входят 14 стендов. Рассмотрен состав стендов, содержащих тепловые ячейки, контроллер и разнотипные термодатчики.

Ключевые слова: техника и физика низких температур, температурный датчик, тепловая ячейка.

В Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУ НиПТ) создана многоцелевая научно-исследовательская теплофизическая лаборатория низких температур. Лаборатория предназначена в основном для проведения научных исследований в области экспериментальной низкотемпературной теплофизики, а также может использоваться и в учебном процессе.

В лаборатории могут быть исследованы:

— процессы теплоотдачи и конвекции в жидкостях (жидкий азот, вода);

— энтальпия, теплоемкость и теплопроводность различных групп материалов и веществ;

— теплота и кинетика фазовых и структурных превращений во влагосодержащих материалах (грунтовые породы, пищевые продукты и др.);

— электропроводность и термоэлектрические свойства металлов и полупроводников;

— инерционность температурных датчиков и т. п.

Основу лаборатории составляют 14 однотипных учебных стендов, которые являются настольными и переносными (один стенд занимает на лабораторном столе площадь около 0,2 м2).

Каждый стенд оснащен многофункциональным управляющим электронно-вычислительным контроллером, двумя унифицированными пассивными термостатами и набором тепловых ячеек.

Общий вид лабораторного стенда показан на рис. 1. Корпус стенда выполнен в виде открытого каркаса, состоящего из основания 1 и полки 2, которые жестко связаны между собой четырьмя стержнями-стойками 3. На основании 1 расположен многофункциональный электронный контроллер 4. В гнездах полки 2 размещены два внешне одинаковых термостата 5 и 6. На лицевой панели полки, с внутренней ее стороны, укреплен блок „холодных спаев" 7, связанный многожильным электрическим кабелем с контроллером 4. Гнезда блока „холодных спаев" выведены на лицевую панель полки. Через них и блок „холодных спаев" к контроллеру могут быть одновременно подключены восемь различных температурных датчиков 8, каждый из которых выполнен в виде гибкого двухжильного электрического шнура (на схеме показан один датчик). Это позволяет до начала эксперимента монтировать с помощью электрических шнуров чувствительные элементы датчиков и затем переносить их в соответствующий сосуд-термостат.

5 6

2

6

1 4

Рис. 1

Тепловые ячейки предназначены для проведения наиболее распространенных теплофи-зических измерений. Каждая тепловая ячейка позволяет проводить исследование отдельного теплового процесса. В частности, среди набора имеющихся ячеек достаточной универсальностью обладают ячейки, предназначенные для градуировки температурных датчиков и изучения их тепловой инерционности. Сюда можно причислить и те

ячейки, в которых исследуются процессы теплоотдачи в жидкостях либо изучается теплоемкость или теплопроводность отдельных групп материалов. В качестве примера на рис. 2 представлена схема тепловой ячейки, предназначенной для измерений теплопроводности

твердых неметаллических материалов в режиме бика-лориметра. В схеме приведены следующие обозначения: 1 — тепловая изоляция; 2 — термостат; 3 — пластмассовая ампула; 4, 5 — температурные датчики;

6 — образец.

Пассивные термостаты используются для обеспечения заданного температурного уровня. Оба сосуда являются съемными и конструктивно оформлены одинаково. Каждый из них имеет съемную крышку и тонкостенный металлический стакан. Полость между стаканом и

1

Рис. 2

7

8

3

2

стенкой сосуда заполнена высокоэффективным теплоизоляционным материалом, защищающим стакан от теплообмена с окружающей средой. Один из термостатов обычно воспроизводит в опытах изотермическую среду с низкой температурой, а второй — среду с комнатной или более высокой температурой. В качестве источников „холода" для низкотемпературного пассивного термостата служат жидкий азот (воздух), „сухой лед" (сублимированный диоксид углерода) или смесь „вода — лед". Во втором сосуде внутри стакана, как правило, размещен массивный металлический цилиндр, играющий в опытах роль активной в тепловом отношении изотермической среды с комнатной температурой. В этот сосуд можно также заливать горячую или даже кипящую воду. Таким образом, оба сосуда в совокупности позволяют исследовать тепловые процессы в широком интервале температур: от температуры кипящего азота (воздуха) до комнатной температуры, а при необходимости — и до температуры кипящей воды.

Встроенный в стенд многофункциональный контроллер решает обширный комплекс разноплановых задач, в частности:

— обеспечивает заданный оператором режим проведения опыта;

— одновременно и дискретно регистрирует изменяющиеся во времени показания восьми разнородных термоэлектрических датчиков (четырех термопар, двух металлических термометров сопротивления, двух полупроводниковых микротермисторов);

— реализует запрограммированный оператором режим считывания показаний датчиков;

— преобразует электрические сигналы датчиков в измеряемые ими физические параметры (температуру, электрическое сопротивление и т. д.);

— выводит на жидкокристаллический дисплей графики изменения показаний датчиков (в милливольтах);

— сохраняет в своей памяти массив экспериментальных данных, полученных в процессе одного или нескольких опытов;

— передает экспериментальные данные в базовый компьютер;

— обеспечивает обратную связь с базовым компьютером и подчиняется его командам;

— при необходимости может управлять работой внешнего электрического нагревателя (установленного в тепловую ячейку или в один из термостатов).

В контроллере использован 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь с дополнительным усилителем, что обеспечивает чувствительность измерительного канала до 10 мкВ, а по температуре — до десятых и даже сотых долей кельвина. Временной интервал между замерами показаний температурных датчиков (шаг дискретности) может изменяться оператором в пределах от 1 с до нескольких минут.

Контроллер лабораторного стенда обычно работает автономно, но связан по локальной компьютерной сети с базовым компьютером. Экспериментальные измерения производятся непосредственно контроллером и передаются после завершения опыта в компьютер. Обработка первичных экспериментальных данных производится с помощью персональных компьютеров.

В заключение уместно обратить внимание читателя на то, что для проведения исследований в созданной лаборатории удобно использовать далеко не все известные в литературе методы теплофизических измерений. Стенды приспособлены в основном для изучения теп-лофизических свойств и процессов в динамическом или регулярном тепловом режиме. Исследуемый образец в процессе опыта обычно монотонно охлаждается или нагревается, находясь внутри одного из сосудов-термостатов, и температура образца в течение опыта плавно изменяется в интервале 90...350 К. Выбор динамического режима нагрева-охлаждения образцов объясняется простотой его реализации и высокой информативностью при малой длительности опыта. Подробное описание использованных в созданной лаборатории методов измерения теплофизических свойств можно найти в специальной литературе [1—4].

В создании лаборатории на разных этапах принимали участие заведующий кафедрой физики СПбГУ НиПТ С. Е. Буравой, а также сотрудники кафедры В. В. Курепин, В. А. Самолетов, С. С. Прошкин и А. А. Котов. Авторы выражают им свою глубокую признательность.

список литературы

1. Платунов Е. С. Физика низких температур: Учеб. пособие. СПб.: СПбГУ НиПТ, 2005. 258 с.

2. Теплофизические измерения и приборы / Е. С. Платунов, С. Е. Буравой, В. В. Курепин, Г. С. Петров / Под общ. ред. Е. С. Платунова. Л.: Машиностроение, 1986. 256 с.

3. Кондратьев Г. М., Дульнев Г. Н.., Платунов Е. С., Ярышев Н. А. Прикладная физика: Теплообмен в приборостроении. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2003. 560 с.

4. Температурные измерения. Справочник / О. А. Геращенко, А. Н. Гордов, А. К. Еремина и др. Киев: Наук. думка, 1989. 704 с.

Сведения об авторах

Евгений Степанович Платунов — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных и пищевых технологий, кафедра физики

Игорь Владимирович Баранов — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных и пищевых технологий, кафедра физики; E-mail: [email protected] Алексей Евгеньевич Платунов — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра вычислительной техники; E-mail: [email protected]

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

физики СПбГУ НиПТ 18.01.08 г.