CC BY
5у
8. ГОСТ Р8.624-2006 Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Методика поверки. -М: Стандартинформ, 2007
9. Особенности применения полупроводниковых тензо- и барорезисторов на основе сульфида самария / В. В. Каминский, А. А. Молодых, В. А. Иванов // Научное приборостроение.-2011 - Т. 21. - № 2. -С. 120-126.
10. Система компьютерно - измерительная «АК 6.25», Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М., 1997. - 14 с.
11. Теплофизические измерения и приборы / Е. С. Платунов, С. Е. Буравой, В. В. Курепин и др. / под общ. ред. Е. С.Платунова. - Л.: Машиностроение, 1986. - 256 с.
12. Двухпараметровый датчик комбинированного типа на основе SMS / В. А. Иванов, В. В. Каминский, Н. Н. Степанов // Научное приборостроение. - 2014. - Т. 24. - № 4. - С. 77-80.
Bolshev Konstantin Nikolaevich
Candidate of Technical Sciences, senior research associate FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Zarichnyak Yuri Petrovich doctor of physical-Mat. Sciences, Professor Saint-Petersburg national research University of information technologies mechanics and optics, Saint-
Petersburg
Ivanov Vasily Alekseevich
, senior research associate
FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Timofeev Anatoly Mikhaylovich Doctor of Engineering, head of Department of heat and mass transfer FGBUN Institute of physics and technology problems of the North of the Siberian Branch of the Russian
Academy of Science of V.P. Larionov, Yakutsk Большев Константин Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск Заричняк Юрий Петрович доктор физ.-мат. наук, профессор Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург Иванов Василий Алексеевич доктор технических наук, старший научный сотрудник ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск Тимофеев Анатолий Михалович доктор технических наук, заведующий отделом тепломассообмена ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
имени В.П. Ларионова, Якутск
INSTALLATION IN THE INITIAL STAGE OF HEATING (METER THERMAL CONDUCTIVITY OF THE SAMPLE IN THE FORM OF A PLATE) УСТАНОВКА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ РАЗОГРЕВА (ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОБРАЗЦА В ФОРМЕ ПЛАСТИНЫ)
Summary: The paper considers a method of determining thermal conductivity at the initial stage of heating. This approach is based on the solution of the problem of heating unlimited plane-parallel plate with constant heat flux. The theoretical basis, the solution and derivation of a calculating formula are described. The main difference of the developed method from the traditional stationary 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 equipment was developed to implement the method. The paperpresents its description, installation diagram, algorithm and contents of the software. Automation was carried out on a basis of computerized measuring system "Aksamit 6.25" and a personal computer. The advantages of the method and an automated installation lie in the short duration of an experiment and the required accuracy of the measurement.
Key words: thermal conductivity, automation, experiment, measuring method, apparatus.
Аннотация: Статья посвящена методу определения теплопроводности на начальной стадии разогрева. Описываемый подход основывается на решении задачи нагрева плоскопараллельной неограниченной пластины постоянным тепловым потоком. Приводится 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. В статье описывается разработанная установка, 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 продолжительности эксперимента при сохранении необходимой неопределенности и погрешности измерения.
Ключевые слова: теплопроводность, автоматизация, эксперимент, метод измерения, прибор.
Широко известный метод измерения теплопроводности при стационарном тепловом режиме, являющийся основой для многих современных приборов, наряду с такими бесспорными преимуществами, как обеспечиваемая точность, повторяемость и универсальность, обладает также главным существенным недостатком - продолжительность одного измерения может длиться несколько часов. С целью преодоления данного недостатка нами предлагается альтернативный метод, основанный на использовании начальной области термограммы разогрева плоскопараллельного образца постоянным потоком тепла.
Данная разработка является продолжением и развитием работ по автоматизации теплофизиче-ских измерений, которые в разные годы проводились в лаборатории теплофизики Института физико-технических проблем Севера [1-4].
з2г
Теория метода
В лаборатории теплофизики Института физико-технических проблем Севера СО РАН в разные годы проводились работы по автоматизации теплофизического эксперимента. 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:
дГ (x ,т) C^T (x ,т)
( x дт
= а
д
- R > x > R, т> 0; (1)
Г (x ,0) = T0 = const;
(2)
дГ {RT qc
д
дГ (0,т) _
д
-f=0; °>
0. (4)
Решение данной задачи представлено следующим выражением[5]:
T(x,T)- Г0 =
qcR
л
0
ат R - 3x
R2
6 R
+ К-1)
n=1
n—1 2 r^ x
— CoSMn~^ eXP( Mn R
(—M F)
(5)
ж
где ¡Лп - корни характеристического уравнения, свойств материала на начальной стадии нагрева
равные Лп = ПЯ. 0,3)
Т1 В безразмерном виде (5) имеет следующий
Используя данное решение, мы получаем следующую схему нахождения теплофизических вид
в - 1 1 Г x Y+vr 2COSMn R ( )
■ + Z(—1) -2— exP(— мF0) ; (6)
R J M
x
—=F0 —- + -
K 6 2
n
где
6 =
T (x ,т)- T
Tc - T 0
K,. =
qR
' ' ¿(Tc - To)
; (7)
6 (T(x,r)-T0)l (T(R>T)-T(^T))X
K, qR
Из (8) найдем:
KK
qR
. (8)
6 6Ц Пс , vr iV+1 2(Га—n -l)exP(- —Fo) л
m-~ =u'5+-(-1) --2-; (<
— n
2Cos— exp(- — Fo )
й 1 с
6 = Fo +1+ K-1) "+1
Ki 3 n=1
6
—n
; (10)
t=F -1+
1 + у (_ l)n+1 2eXP(--n2FU ) 6 -1 -2 '
(11)
Отношение температур поверхности и центра пластины вг/вц равно:
1
6n_T (R ,т)- T o 6, T (0, т) - To
Fo +1 + S(-1)
n+1
2Cos-n exp(- —Fo)
3
n=1
—I
1+ £(-1)n+12exp(-—n2 Fo )
(12)
F
o
6
.2
п=1 ^п
Из решения (12) можно найти F0, фиксируя Выражения (8) и (9) дают расчетные фор-
Т(Л,т), T(0, т) и То разными методами. Мы исполь- мулы для нахождения теплопроводности исследуе-
зуем метод аппроксимации и метод итерации[6]. мого образца:
1 =
Fo +1/3 + К-1)
n=1
n+1
2Cos—n exp (- — —2
(--2 Fo )
9R
T (R ,т)-T o
(13)
или
1 =
qR
2AT
1 - f; (- i)n+14(Cos—n- 1)exp(- — Fo )л
n=1
—2
(14)
с»
где ДТ = Т (Я ,т)- Т (0,т).
Таким образом, зная значения q, Л, ДTиз 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 констан-танового провода и хромель-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 циф-роаналоговым 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 интерфейс программы запрашивает у оператора первичные характеристики исследуемого образца (вес, толщину), дату эксперимента, данные оператора. После завершения диалога все введенные данные, а также величина теплового потока, проходящая через образец, фиксируются в записи эксперимента и выводятся на экран.
Далее начинается измерение температур, алгоритм которого включает процедуру исключения помех от паразитных термоЭДС посредством переключения и инвертирования закороченных каналов коммутатора, 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.
у
Рисунок 2 - Блок схема рабочей программы измерителя теплопроводности образца в форме пластины.
Блоки программы:
1. Измерение напряжения нагревателя
2. Измерение нулей на закороченных концах коммутатора
3. Калибровка компьютерно-измерительной системы
4. Измерение значения температуры в центре образца, перепада температур
5. Нахождение теплового потока
6. Вычисление параметра Fo
7. Вычисление температуры абсолютной термопары ХА
8. Вычисление температуры дифференциальной термопары ХА
Далее программа вычисляет значение параметра Fo. Для этого используются следующие соотношения.
Отношение температуры на поверхности образца к температуре в центре:
Т
г = —-. (15) Т
ц
Температура поверхности и центра образца может быть рассчитана по сумме рядов:
1 да
F = 1+ !(-1)
3 П=1
l+i
ICosßn exp {¡Li] F{))
Л
(16)
F
2
i да
-1 + ^ 1)
6 n=1
n+1
2exp{-
Fo)
2
(17)
F i
Fi
F
■ или
F
2- < o,i-io-6
(18)
2
где Fl или Г2 ряд имеет на один член меньше чем F1 или F2. определяется по формуле:
Г - гГ
. (19)
F
Fo =
1
2
z
1
Найденное Г сравнивается с заданными Fo
и методом последовательных приближений определяется истинное для данной температуры значение.
Теплопроводность образца определяется из соотношения:
_дЯ (Г2 - Г)
ТЦ ^
Т.
■■ (20)
ц п /
В конце цикла на экран выводится температура текущей точки, значение теплопроводности, время, после чего система переходит к новой запрограммированной температурной точке для определения теплопроводности. Как показали эксперименты на образцовом материале из ПММА (полиметилметакрилат), минимальная неопределенность измеренных значений теплопроводности получается при F0 = 0,2 - 0,3. Длительность эксперимента составляет от 1 минуты до 30 минут в зависимости от толщины и теплофизических свойств исследуемых образцов.
Ограничение членов бесконечного ряда производится по следующему критерию:
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. 1521
siSiil Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #9(13)/2016
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.
УДК 621.331.001.2
Андреев Алексей Юрьевич, Казанцев Александр Андреевич Andreev Alexey Yurievich, Kazantzev Alexander Andreevich
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», Россия, г. Самара
kudis94@yandex. ru, +7-929-705-71-74
ИССЛЕДОВАНИЕ ИННОВАЦИОННОЙ БОРТОВОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ RESEARCH OF INNOVATION BOARD COMBINED SYSTEM OF MOTOR'S POWER
В статье предложена разработка бортовой комбинированной системы питания электродвигателя с использованием солнечных модулей, аккумуляторных батарей глубокого разряда с интегрированным зарядным устройством 220В. Особое внимание уделяется описанию поворотного устройства.
The article suggests the development of on-board power supply system of the electric motor combined with solar modules, batteries deep discharge with integrated battery charger 220V. Particular attention is paid to the description of the rotator.
Ключевые слова: солнечные панели, поворотное устройство, электродвигатель, бортовая сеть.
Keywords: solar panels, rotating device, electric motor, vehicle electrical system.
Быстро растущая популярность солнечных батарей не обошла стороной и водные виды транспорта. Солнечные панели устанавливаются на борту катеров и яхт и как дополнительный источник энергии, и как основной - на безмоторных судах. Электричество, генерируемое солнечными панелями, используется для запуска мореходного и коммуникационного оборудования, бортового освещения и т. д. Применение солнечных батарей на яхтах, особенно оправдано в случаях длительных путешествий в регионы земного шара, отличающиеся высоким уровнем инсоляции. Для таких
судов солнечные модули изготавливают, как правило, на заказ.
Цель работы - разработка бортовой комбинированной системы питания электродвигателя с использованием солнечных модулей, аккумуляторных батарей глубокого разряда с интегрированным зарядным устройством 220В.
Предлагаемая схема электроснабжения бортовой комбинированной системы представлена на рис.1
Рис. 1 общая схема электроснабжения бортовой комбинированной системы.
