Устройство для оперативного измерения температуропроводности слабосцементированных пород Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 550.36; 551.24

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ СЛАБОСЦЕМЕНТИРОВАННЫХ ПОРОД

Сергей Алексеевич Казанцев

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru

Ирина Игоревна Фадеева

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник, тел. 8-953-763-95-28, e-mail: Step_by_day@mail.ru

В докладе приводится описание разработанного в институте двухзондового устройства для оперативного измерения температуропроводности и теплопроводности слабосцементи-рованных пород. С помощью устройства проведены тестовые измерения температуропроводности льда.

Ключевые слова: игольчатый зонд, прибор для измерения температуропроводности и теплопроводности, лабораторный эксперимент.

DEVICE FOR FAST MEASUREMENT OF THERMAL DIFFUSIVITY OF LOOSE ROCK

Sergey A. Kazantsev

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, Russia, 630090, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Senior Research Scientist, tel. (383)330-25-91, e-mail: Ka-zantsevSA@ipgg.sbras.ru

Irina I. Fadeeva

Chinackal Institute of Mining SB RAS, Russia, 630091, Novosibirsk, Krasny Prospekt 54, Research Scientist, tel. 8-953-763-95-28, e-mail: Step_by_day@mail.ru

The description of the two-probe construction and performance of a device for measuring thermal properties using the line source method is given. The results of measurements of the thermal diffusivity of ice are given.

Key words: needle probe, thermal conductivity, thermal diffusivity.

Задача определения тепловых свойств разного рода сред (теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость) состоит, главным образом, в измерении двух параметров и расчете оставшегося неизвестного. Прямые измерения теплоемкости представляют собой довольно сложную и трудоемкую процедуру, а также исключают возможность определения параметра на месте (in situ). Теплопроводность и температуропроводность являются наиболее важными параметрами веществ и материалов, поскольку они описывают процесс переноса теплоты и скорость изменения температуры в них.

х = -

ср -р

(1)

где х - температуропроводность, 1 - теплопроводность, ср - изобарная

удельная теплоёмкость, р - плотность.

Теплофизические параметры связаны между собой соотношением (1). В ИНГГ СО РАН ранее был разработан аппаратурный комплекс регистрации температуры и определения коэффициента теплопроводности среды [1]. Измеритель теплопроводности использует метод игольчатого зонда постоянной мощности [2]. Зонд представляет собой стальную трубку (диаметр 2 мм, длина 120 мм), внутри которой по всей длине размещен нагреватель (манганиновая проволока сопротивлением ~ 44 Ом), а в средней части зонда расположен температурный датчик (термистор ММТ-6 с сопротивлением ~10 кОм). На основе этого портативного измерителя теплопроводности было разработано устройство с двумя игольчатыми зондами (рис. 1) для измерения температуропроводности.

Рис. 1. Схема двухигольчатого зонда (слева); блок-схема измерительного устройства (справа)

В одной трубке, как и ранее, размещались нагреватель и датчик температуры, в другой только температурный датчик. Датчики находятся в обеих трубках на одном уровне. Трубки двухигольчатого зонда отстоят друг от друга на 7 мм.

В основе метода измерения температуропроводности лежит теория распространения тепла от мгновенного линейного источника [3]. Измерения проводятся следующим образом. На нагреватель зонда 1 подается короткий, калиброванный импульс напряжения, фиксирующийся датчиком 1. Одновременно датчик 2 начинает запись изменения температуры. По этой записи можно определить время прихода максимума тепловой волны в точку, где расположен датчик 2. На рис. 2 представлены экспериментальные кривые, с помощью которых определялась температуропроводность льда (1,23-10-6 м2/с). На врезке рисунка в другом масштабе приведен график изменения температуры игольчатого зонда 2.

Рис. 2. Термограммы в эксперименте со льдом. Импульсный нагрев

Коэффициент температуропроводности рассчитывается по формуле:

г 2

Х = ~л--(2)

4 • т

^ i max

где r - расстояние между зондами, в долях метра (в нашей установке r = 7 мм); Ттах - время прохождения максимума тепловой волны от зонда 1 к зонду 2, в секундах (для приведенной термограммы ттах=10,0 с).

Конструктивно устройство отличается от измерителя теплопроводности, описанного в [1], тем, что все функции управления и обработки информации переданы в компьютер. Выносной блок представляет собой два игольчатых зонда, сигналы с которых поступают на АЦП, преобразуются в цифровой код и

с помощью кабеля USB передаются на компьютер. Измерительное устройство собрано на базе микроконтроллера STM32F103C8T6 со встроенным двухка-нальным АЦП. Процессор управляет работой АЦП, регулирует питание нагревателя и передает данные на компьютер. Блок схема устройства приведена на рисунке 1. Специализированная программа управления считывает поток данных с двух резистивных температурных датчиков, преобразует омический сигнал в градусы Цельсия, сохраняет данные в виде табличного файла и отображает процесс на графике. Форма и амплитуда сигнала, подаваемого на нагреватель (постоянный или импульсный, моменты его включения-выключения), задается по команде с компьютера.

Разработанное устройство выгодно отличается от измерителя теплопроводности тем, что значительно упрощен измерительный блок. Устройство совмещает функции измерения и теплопроводности, и температуропроводности. Все данные напрямую документируются в компьютере. К этому можно добавить, что характеристики датчиков зондов заносятся в компьютерную программу, что позволяет оперативно заменять зонды в случае выхода их из строя. В настоящее время ведутся работы по адаптации устройства для работы с планшетными компьютерами и смартфонами. Это позволит расширить возможности применения измерителя в полевых условиях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород // Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения: материалы Междунар. конф. - Тюмень: Институт криосферы Земли СО РАН, 2008. - С. 236-239.

2. R. Fon Herzen, and A.E. Maxwell A.E. Journal of Geophysical Research. - 1959. - V. 1, No.10. - P. 1557-1563.

3. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. - М.: Наука, 1964.

© C. А. Казанцев, И. И. Фадеева, 2015