автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методика выбора режимных и геометрических параметров средств контроля теплофизических свойств плоских образцов дисперсных материалов

РГБ ОД

1 3 ИЮН 23СЭ

На правах рукописи

ШИШКИНА Галина Викторовна

МЕТОДИКА ВЫБОРА РЕЖИМНЫХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2000

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете.

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники,

доктор технических наук, профессор Мищенко Сергей Владимирович; кандидат технических наук, доцент Чуриков Александр Алексеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Глннкин Евгений Иванович; кандидат технических наук, доцент Ивановский Василий Андреевич.

Ведущая организация: НПК(О) "Энергия", г. Воронеж

Защита диссертации состоится " ¿2" ид/ОИЛ 2000 г. в ~ часов на заседании диссертационного совета К 064.20.03 Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.

Автореферат разослан "/3 " оихх^я 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ - ■

Актуальности-Заботы. Современный уровень развития энергосберегающих технологий и теплотехники предъявляет повышенные требования к методам измерений теплофизических свойств (ТФС) с точки зрения их универсальности, быстродействия и точности получаемых результатов. В данном случае под универсальностью мы понимаем возможность исследования комплекса ТФС различных материалов: дисперсных, влагонасыщенных и мелкодисперсных сыпучих сред. "-

Методы теплофизического контроля основаны на косвенных измерениях, поэтому точность и'достоверность определения ТФС во многом обусловливаются тем, насколько математическая модель адекватна реальным тепловым процессам, происходящим в процессе измерения ТФС. В связи с этим поиск реальных параметров измерительных устройств и режимов тенлофизйческого эксперимента, обеспечивающих определение ТФС различных материалов1 с наименьшей методической погрешностью, является важной'задйчей. •"•■<■ ■'■

Перед нами бйла поставлена задача- контроля ТФС плоских образцов небольшой толщины или слоя сыпучего матерйала.

Измерительные устройства для исследования теплофизических свойств плоских образцов твердых'й:дисперсных материалов, в основном, базируются на модели, которая предусматривает создание на внешних границах постоянной температуры, что вызывает необходимость использования для этой цели термостатов (обычно жидкостных). 11рнменение таких термостатов- оправдано в лабораторных условиях, где можно использовать громоздкое стационарное оборудование, но для промышленных условий кЪшройЪ' ТФС требует Использования автономных мобильных измерительных устройств и систем. Пбэтому важной проблемой, решаемой в данной диссертационной работе, является создание мобильного измерительного устройств1;^,'на внешних границах которого применяются специальные блоки, поддерживающие адиабатические условия,1 что достаточно просто реализуется на современном уровне развития микропроцессорной и компьютерной техники, а также вполне оправдано с точки зрения экономии энергии.

Таким образом'; приобретает актуальность разработка более эффективных и энергетически экономных методов контроля ТФС различных материалов и создание на их базе измерительных устройств, работающих в составе автоматизированной системы научных исследований (АСНИ), в свою очередь' обесйёчизающей оперативность получаемых результатов и повышение их информативности. 1

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным Планом работ Научного совета РАН по комплексной проблеме "Теплофизика й Теплоэнергетика" »а 1993 - 2000 гг.; в соответствии с межвузовской отраслевой науч-но-технйческой программой "Ресурсосберегающие технологий в машиностроении", тема 8/96; а также в соответствии с госбюджетной тематикой Роскомвуза РФ "Развитием совершенствование математического, программного, информационного 'й »технического обеспечения автоматизированной системы научных исследований'и проектирования процессов тепло- и массопереноса", тема 4Г-96.

Предмет исследования. Математические модели, методы и реализующие их автоматизированные системы и установки для теплофизического контроля плоских образцов дисперсных материалов, результаты экспериментальных исследований. ....•• И

Цель работы. Разработка эффективных теплофизических методов и измерительных устройств в составе АСНИ, максимально использующих экспериментальную информацию и обеспечивающих определение комплекса ТФС плоских образцов дисперсных материалов с наименьшей погрешностью. Для достижения поставленной цели необходимо:

- на'основе математических моделей нестационарного теплопереноса разработать комплексные методы контроля, ТФС плоских образцов дисперсных материалов; ( .... .

- разработать и изготовить измерительные устройства, работающие в составе единой АСНИ и позволяющие реализовать на практике разработанные методы;

- создать методику выбора реальных и ¡оптимальных параметров измерительных устройств и режимов теплофизического,, эксперимента, позволяющих определять ТФС материалов с минимальной методической погрешностью, но при этом повысить быстродействие и точность измерения исходной экспериментальной информации; ..

- разработать метод анализа и учета влияния контактных термических сопротивлений измерительного устройства на результаты определения ТФС различных материалов; .■.••...

- провести анализ и учет возможных источников погрешностей измерений ТФС дисперсных материалов; , .

- осуществить апробацию результатов научно-исследовательской работы в лабораторных и производственных условиях.

Научная новизна.

1 В области интегральных преобразований Лапласа решены две краевые задачи теплопроводности для многослойных систем контактирующих пластин с двумя видами различных граничных условий: постоянство температуры на противоположных границах системы или условия адиабатики на этих границах.

2 Разработаны и исследованы два метода контроля комплекса ТФС дисперсных материалов и реализующие их ■измерительные устройства,, позволяющие получить необходимый объем экспериментальных данных и управлять длительностью эксперимента. Предложенная в. этих:методах схема измерения температуры интегральными датчиками и их оптимальное расположение в измерительном устройстве обеспечивают требуемую и стабильную точность определения ТФС в широком диапазоне их изменения..

3 Разработана методика поиска реальных параметров измерительных устройств и режимов эксперимента, обеспечивающих адекватность реального процесса измерения ТФС его исходной идеализированной модели. Это позволяет, в свою очередь, определять ТФС с минимальной методической погрешностью.

4. Разработана методика экспериментального определения численных значений параметров преобразования Лапласа, обеспечивающих допустимую точность вычисления интегральных характеристик температуры и теплового потока

при значительном сокращении времени и объема экспериментальной информации, что обеспечивает оперативность проводимых измерений..

5 Разработана методика анализа и расчета контактных термических сопротивлений в реальных измерительных устройствах, позволяющая учитывать в расчетных зависимостях конструктивные неточности и погрешности.

6 Разработаны математическое, алгоритмическое и программное обеспечения АСНИ, позволяющие автоматизировать процесс измерения ТФС, повысить точность, объективность и быстродействие при обработке первичной измерительной информации. ,''.,.■•

Практическая ценность..На основе разработанных методов рпроектирова-ны, созданы и апробированы два типа измерительных устройств в составе АСНИ, позволяющих контролировать ТФС различных материалов как в лабораторных, так и в промышленных условиях. Методика определения оптимальных условий теплофизического эксперимента дозволила^ создать измерительные устройства вполне конкретных геометрических размеров, выбрать необходимые эталонные образцы, определить места расположения датчиков и моменты измерения ими температуры. Конструкция измерительных устройств позволяет исследовать ТФС сыпучих и влагонасьпценных дисперсных материалов. -

Для обоих измерительных устройств разработаны методики проведения автоматизированного теплофизического контроля, а также пакет программ, реализующий в составе измерительно-вычислительного комплекса.,(ИВК) алгоритмы управления ходом эксперимента и алгоритмы расчета искомых ТФС.

Апробация работы. Основные результаты работы, докладывались на III научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996 г.), региональном межвузовском семинаре "Моделирование процессов тепло- и массообмена" (Воронеж, 1997 г.), III международной теплофизической школе (Тамбов, 1998 г.), IV и V научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 1999, 2000 гг.), Х1П международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (С.-Петербург, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, подана заявка на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 119 наименований. ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации работы, Сформулированы результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и сравнительный анализ методов и устройств для определения ТФС дисперсных материалов.

Проведенный обзор и анализ показал, что в настоящее время наиболее перспективными являются методы определения ТФС материалов, основанные на закономерностях нестационарного потока тепла.

Многие известные теплофизические методы' обладают рядом недйста-Ыов, главными из которых являются значительная длительность эксперименга при строго поддерживаемых условиях измерений, возможность' определения лишь одного теплофизического параметра, недостаточно полное использование измерительной информации, отсутствие достаточного Математического обоснования и анализа источников погрешностей эксперимента, невозможность применения измерительного устройства в составе АСНИ. ^ • ■ ' ,¡k¡f

Особый интерес для нас представляют методы контроля ТФС плоских образцов дисперсных материалов. Проведенный обзор показал, что ' методы этой группы достаточно распространены и разнообразньУ.' К их недостаткам можно отнести необходимость расположения датчиков' внутри исследуемого образца; использование точечных датчиков температуры, что при исследовании дисперсных материалов вносит значительную погрешность; подготовка исследуемого образца строго заданной толщины; наличие1 дополнительных нагревателей и т.д.

Анализ работ, посвященных исследованию ТФС дисперсных материалов, показал, что для них искомые свойства являются эффективными, т.е. зависящими и от свойств твердой фазы, и от размеров1 пор, и от наличия влаги и других факторов. Поэтому определение ТФС по замерам температуры в одной точке может привести к очень большой погрешности. Определять эффективные ТФС необходимо по значениям интегральной температуры определенной площади или объема. Это привело нас к созданию и исследованию интегрирующего датчика температуры для измерительного устройства.

!' feo второй главе рассмотрены теоретические основы йредлагаемых методов контроля ТФС плоских образцов дисперсных материалов. '

Разработаны два метода контроля ТФС дисперсных материалов и два на их основе Созданных измерительных устройства промышленного и лабораторного типа, работающих в составе АСНИ. ■

1 Метод контроля ТФС измерительным устройством с внешним термоста-тированием (в дальнейшем будем называть его первым методом), при этом реализуются граничные условия постоянства заданной и необходимой температуры. Такое измерительное устройство (первого вида) целесообразно эксплуатировать в "лабораторных условиях в составе АСНИ, где можно использовать громоздкое стационарное оборудование, обычно включающее в свой Состав жидкостные или воздушные термостаты.

2 Метод контроля ТФС измерительным устройством с внешними адиабатическими условиями (второй метод). Это измерительное устройство (второго вида) разработано специально для промышленных условий контроля ТФС, т.к. оно автономно, мобильно и может быть сравнительно далеко вынесено от основного обрабатывающего информацию блока измерительно-вычислительного комплекса или АСНИ.

В обоих методах измерительные устройства представляют собой трехслойную систему (рис. 1), в которой пластина из исследуемого материала 1 контактирует с одной стороны с пакетом из двух эталонных (с известными и хорошо изученными ТФС) материалов 2, 3. Между этадодными пластинами находится плоский нагреватель 4.

Рис. 1 Модель системы контактирующих тел: 1 - исследуемый образец (Хт ди); 2 - верхний эталонный образец (X „ а,); 3 - ниж-1 ний эталонный образец (>ч, а,); 4 - источник тепла мощностью Q; 5 - проточные теплообменники (первый метод) или блоки адиабатики (второй метод); 1„ -1\ -, плоскости расположения датчиков температуры

Таким, образом, ,в измерительных устройствах .о^ууствует прямой контакт исследуемого материала с датчиками температуры и нагревателем, что позволяет исследовать ТФС и химически агрессивных, и влагонасьпценных материалов. В обоих эталонных образцах на известных расстояниях от нагревателя 1„ расположены датчики - интеграторы температуры, причем может быть, что I, Ф ¡¡.

Экспериментально измеряемыми величинами являются мощность электронагревателя Q и изменение во времени температур двух эталонных образцов

t) и f/|(-/|, /) в сеченияхх=I,их =*-/],, соответственно.

В измерительном устройстве первого вида на границах х = Z„ и х = - Lx поддерживается постоянная температура, равная начальной, U0 = const. Для этой цели используется жидкостнойтеркостат.

В измерительном устройстве второго вида на внешних границах применяются специальные " fmbfet;''' ;йоддёрживагощие адиабатические условия:

d(/„(x,i)

дх

= 0 dUx(x,t)

x=L дх

=; 0. При этом отсутствует необходимость применения массивных и неудобных жидкостных термостатов.

Процесс переноса тепла в системе контактирующих тел (рис. 1) описывается следующей системой краевых задач:

Ш^.а.^фО.^д,.' ,><Г' (1)

dt " Эх2 oU3{x,t) d2U,(x,t) dt дх2 '

О <x<L3, t> 0; (2)

о. />о: . о)

dt дх1

С начальными и граничными условиями:

1/и (х, 0). =»0; г7,э(х,0) = 0 ; ¿/1(х,0) = 0;

аии{х, О

дх

811 .,(*,')

дх

аи3(х,о

дх

= -9э(0;

зг/хСх.о

х=0+0

ЙХ

х=0-0

Для измерительного устройства первого вида граничные условия: Для измерительного устройства второго вида граничные условия:

дии(х, О

дх

= 0.

(5)

(6)

(7)

(8) (9)

Решение поставленных задач теплопроводности в обоих Методах было проведено на идеологической основе математического метода интегральных характеристик (ИХ). В работе использовалась временная интегральная характеристика (ВИХ) температуры и(х, г) - интегральное преобразование Лапласа по временной переменной

си - • .

и*{х,р)= |ехр(-/>0£/,

(10)

где р - параметр интегрирования Лапласа, его величина может быть произвольной, но в то же время жестко заданной для определения ВИХ с наибольшей точностью для исследуемых образцов определенной тблщины и ТФС.

В результате решения задач теплопроводности были получены расчетные зависимости для определения ТФС исследуемого материала.

Коэффициент теплопроводности X „ рассчитывается по формулам: - для первого метода

<ьЛР)

* для второго метода

Х-и — А,.

УяГ и сщ^т^)

(И)

г -*

л чЛР)

-1

(12)

^„ООсЬО/^Г)

Коэффициент температуропроводности рассчитывается по формуле, справедливой для обоих методов

«и =

рН

(13)

В этих расчетных зависимостях: с/э (р) - ВИХ теплового потока, идущего от

нагревателя в верхний эталонный образец; <?* (р) - ВИХ теплового потока, идуще-

2

го и исследуемый образец через поверхность х = Ь,; g = - безразмерный па-

а

раметр

=

рЬэ

=

рЦ2

и1

Величина неявно выраженного параметра £и находится из трансцендентных уравнений:

- для первого метода

ф =

4э(/0

-1

Чз'Лр)

- для второго метода

7)

= ©,(/>,*); (14)

Ф(£ИД) =

Ч„{Р) сЬ(^)

— 1

—1

~®к{р,к).- (15)

В уравнениях (14), (15) правые части ®и(р,к) и <5>я(р,к) находятся по экспериментально, рассчитанным значениям ВИХ тепловых потоков д*э{р), (¡1(кр),

01(7^7)'

^д^(р), дп(кр), а также заранее определенным функциям Ф(#э,£) =

"Г, ,, ) ' ■ - .

Ф( £;,, л) =-* . для известных и конкретных значении р,к и аэ.

' Точность проводимого контроля ТФС обусловлена выбранными геометрическими и режимными (временными, тепловыми) параметрами эксперимента. Поэтому возникает необходимость поиска основных параметров контроля ТФС: таких значений, при которых погрешность определения ТФС будет наименьшей. •

Из анализа расчетных зависимостей для каждого метода была получена формула относительной погрешности определения температуропроводности:

- для первого метода

5аи < -Пц^кЛ^и^ ,

06.

(17;

6У„

• максимальная относительная погрешность измерения температуры;

- для второго метода

(Ьэ,р)р

где

^(ЯиД) =

(18)

-, (19)

А ¿/тах - максимальная абсолютная погрешность измерения температуры, (/*(£-,,/>) - ВИХ температуры исследуемого образца на границех = 1

4 к

■ Ц

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 2 4 6 8 10 12 14 8«

а) б)

Рис. 2 Зависимость целевой функции от параметра § „при различных значениях коэффициента к: а - для первого метода, б - для второго метода

Из выражений (16) и (18) видно, что функции т|г(£и,&) и г^С^./с) являются базовыми характеристиками, влияющими на величину относительной погрешности определения температуропроводности. Так как нашей целью является поиск параметров эксперимента, при которых' а„ будет определяться с наименьшей погрешностью, то, следовательно, необходимо найти минимальные значения целе-

вых функций г|? (#„,&) и 11 ^,к). На рис. 2 показаны графики целевых

фунукций для обоих методов.

По этим графикам можно определить значения параметров gи и к, при которых функции т||;(£и,/с)и г]г(5и Д) принимают наименьшие значения. Так как при

этих величинах коэффициент температуропроводности рассчитывается с наименьшей погрешностью, то назовем эти значения оптимальными и обозначим их

^И ОИЧ 5 ^ОПТ '

Из графиков на рис. 2 видно, что во втором методе целевая функция при различных величинах коэффициента к принимает минимальные значения в интервале g„ е ¡2 ... 8], в то время как в первом методе целевая функция принимает наименьшие значения в интервале gи е [0,1 ... 0,7]. Так как gи = ^ , где величина

аи

параметра р косвенно определяет длительность измерения экспериментальной информации, то можно сделать вывод, что второй метод контроля ТФС обладает значительно большим быстродействием, чем первый метод. Другими словами, время окончания эксперимента по определению ТФС устройством с термостабилизацией на внешних границах в полтора - два раза больше времени эксперимента по определеншо ТФС аналогичных образцов измерительным устройством с условием адиабатики на внешних границах.

Приведенные расчетные зависимости содержат ВИХ £/*(х,р) и д*(р). Как видно, теоретически параметр р - произволен, что говорит о некоторой некорректности решения краевой задачи (1) - (9). Возникает проблема нахождения конкретного численного значения р, которое будет соответствовать таким параметрам измерительного устройства и эксперимента, которые обеспечат наилучшие условия адекватности реальной реализации контроля ТФС его исходной идеальной модели.

На рис. 3 показаны графики функций: 1 -{/(/,/) (где / может быть

/, или /э), 2 - с"кр'и0,0,

3 - с~ >"1/(1,0. У температурной кривой рассматриваемого теплового процесса 4(1.0 существуют два особых момента времени /тах, и /,шх2. В момент 1таХ| кривая достигает точки перегиба, в которой первая производная 11'{1ЛП,.1Х]) = сопб! , а вторая производная \J\Utтях2)~ 0. В момент време-

Рис. 3 Графики подынтегральных функций (10)

ни /тах2 наступает квазистационарный режим, при котором U'ijJn^i)const, а

uvum ах2) = 0. " •

Из анализа подынтегральной функции e~p'U(l,t) и условия равенства нулю ее производной можно на^ти величины параметров интегрирования р{ и рг\

.......- (20)

p2 = kp=U'{t™*])-, (21) .. • " 'A'maxl)

,.„-,:'.., ... (22)

Р\ Р

Необходимо дождаться момента окончания эксперимента /к, который будет найден из условия

P]U\l,P])sUXUK)- . . (23)

Таким образом, чтобы точно рассчитать значения В ИХ (10) и при этом определить величину параметра интегрирования р, на обязательно вести нагрев до естественного момента t = /¿^ 'а можно ^задать конечное значение /к » / /к » tm.dx 2 и для него найти из реально идущего процесса нагрева численные значения параметров />, и рг, нри этом rmax2 = fomax \.

Очевидно, что для двух интегральных характеристик температур U\ {-ly.p)и

U*0i> Р) параметр р - одно и то же число. Чтобы решение исходной системы было корректным, в измерительном устройстве необходимо соблюдать следующее соотношение параметров эталонных образцов .,

L3=L,p-. (24)

Vai

Вычислять первую и вторую производные температуры (20) или (21) можно для любого эталона, как для верхнего £/,(/.,,t) , так и дЛя нижнего

U{{-h,t), £/ГнТо~" "" . ,

Третья глава посвящена разработке конструкций измерительных устройств, а также проектированию и выбору геометрических и режимных параметров тен-лофизического эксперимента. :/;

Разработаны два вида измерительных устройств для контроля ТФС дисперсных материалов: первого вида - с внешним термостатировэнием (рис. 4), второго вида - с внешними адиабатическими условиями (рис. 5).

В измерительных устройствах исследуемый образец 1 толщиной h контактирует с верхним эталонным образцом 2, а тот, в свою очередь, с нижним эталонным образцом 3. Между эталонами 2 и 3 в плоскости х = 0 размещен источник тепла 4 (плоский электронагреватель), выполненный из константана планарным способом (напылением этого металла на подложку из ситалла 2). В обоих разра-

ботанных нами измерительных устройствах применяются электронагреватели постоянной мощности Q = const. Между слоями эталонных образцов в плоскостях с координатами х = /, и * = -1Х расположены плоские датчики - интеграторы температуры 5 (медные термопреобразователи сопротивления; нанесенные на подложки из ситалла планарным способом). В измерительном устройстве первого вида внешние поверхности исследуемого 1 и эталонного 3 образцов приводятся в тепловой контакт с термостабюшЗаторами 6, выполненными в виде проточных теплообменников, через которые пропускается теплоноситель с постоянной температурой. В измерительном устройстве второго вида'внешние поверхности исследуемого 1 и этаяонного 3 образцов приводятся' к тепловой контакт со специальными блоками 6, поддерживающими адиабатические условия и выполняющими роль термостабилизаторов на границах х = £ и и х = -Z,,.

Рис. 5 Схема измерительного устройства с внешними адиабатическими условиями

: - В качестве материала верхнего эталонного образца выбран ситалл (/.-,, rt,)," нижнего - полиметИлметакрйлат (X,, а{), что вызвано технологией изготовления датчиков температуры и электронагревателя.

При экспериментальной реализации аналитических методов контроля ТФС дисперсных материалов возникает проблема измерения температуры не одной точки, а определенной плоскости или участка поверхности.

Для этой цели в наших измерительных устройствах используются интеграторы температуры из термопреобразователей сопротивления (ТС), которые по сравнению с точечными или дисковыми термометрами обладают рядом преимуществ. У ^^ ; У у, , ...........

1 Интегратор измеряет температуру всей нагреваемой плоскости, а не одной точки, что значительно повышает чувствительность методов определения ТФС дисперсных материалов. . . . \ -

2 Интегратор выполнен из тонких нитей металла, нанесенных на подложку, и имеет электрическое сопротивление на один - два порядка выше, чем у дискового или проволочного датчика, в результате чего возрастает чувствительность измерения температуры, а следовательно, и ТФС.

3 Тепловой контакт напыленного интегратора значительно больше по площади, чем у проволочного датчика температуры.

4 Интегратор прост в изготовлении, современная технология нанесения металла (меди) на подложку из ситалла хорошо отработана и не представляет затруднений, а интегратор получается достаточно надежным в эксплуатации.

В измерительном устройстве второго вида на внешних границах х = LH и х = -L, используются специальные блоки, поддерживающие адиабатические условия (см. рис. 5). Конструкция блока адиабатики показана на рис. 6.

Оба термопреобразователя сопротивления ТС1 и ТС2, имеющие ири одинаковой температуре равные значения сопротивления, выполнены из меди планар-ным способом, то есть их конструкция аналогична, конструкции интеграторов температуры, расположенных в эталонных образцах в сечениях х = !эи х = Элементы блока адиаба-

Электроизолятор (ситалл) [/ ( ).....

Электрический нагреватель

ТС1

тики подключены в мостовую схему, в которой выходной сигнал равен нулю при условии, что температуры на внешних плоскостях адиабатического блока равны, то есть (/,(0 = иг{1). Процесс поддержания равенства температур осуществляет система регулирования, реализованная на основе ИВК, в состав которого входят АЦП, ЦАП и персональный компьютер.

ТС2'

Исследуемый образец

Рис. 6 Блок адиабатики

Для исследования ТФС образцов при заданных начальных температурах в измерительном устройстве (рис. 5) требуется создание начальной и постоянной по всему объему температуры U(0) = U3ta = const. Для это/j цели также используются блоки адиабатики.

Измерительное устройство второго вида мобильдо поможет быть достаточно далеко вынесено от основного блока ИВК, что дает возможность применять его в промышленных.усдовиях. .

Для обеспечения минимальной погрешности определения ТФС дисперсных материалов важно не только точно найти временные параметры эксперимента (рь Ръ /0, но и правильно выбрать геометрические и тепловые параметры, такие как толщины эталонных образцов ¿э, 1ь места расположения датчиков температуры /„ /,. а также мощность нагревателя Q. Для определения этих параметров были проведены и экспериментально проверены расчеты для различных исследуемых и эталонных образцов с известными теплофизическими свойствами. В результате была разработана методика, позволяющая выбрать конкретные размеры измерительного устройства и параметры эксперимента для заданного диапазона контролируемых ТФС исследуемого материала. Например, для наших целей мы определили следующие численные значения рассматриваемых параметров.

Толщина исследуемых образцов А = (3 ... 5)-10° м; материал верхнего эталонного образца - ситалл (о, = 7,83-Ю"7 м2/с, X., = 1,72 Вт/м К ); материал нижнего эталонного образца - полиметилметакрилат (а, = 1,1(М0"7 м2/с, Я., = 0,18 Вт/м-К). Геометрические и режимные параметры теплофизического эксперимента, реализованные для различных диапазонов ТФС исследуемых материалов, даны в таблице.

Таблица

ТФС исследуемых материалов Параметры измерительного устройства и эксперимента

4, м /„ м ¿1, м /¡,м W, Вт

яи= (0,80 ... 3,50)-10"7 м2/с Л „ = (0,05 ... 1,35) Вт/м-К 6,50-10° 3,20-10"3 3,80-Ю"3 1,60-103 2,50

я„= (3,50 ... 6,50)-10"7 м2/с Хи = (1,35 ...2,65) Вт/м-К 4,50-10"3 2,15-10"3 2,60-10"° 1,12-10"3 15

«„=(6,50... 8)-Ю"7м2/С X и = (2,65 ... 4) Вт/м-К 2,50-10"3 1,12-10'3 1;50-10~3 0,72-10'3 25

В четвертой главе дано описание автоматизированной системы научных исследований, реализующей разработанные методы (рис. 7).'

Приводятся схемы алгоритмов контроля'и управления ходом эксперимента и обработки экспериментальных данных для двух возможных вариантов процесса определения ТФС: при,заданном времени окончания эксперимента и при отсутствии ограничения на длительность эксперимента.

..Рис.-7 Блок-схема- АСНИ ТФС дисперсных материалов: 1 - функциональный блок; 2 - многоканальный АЦП; 3 - многоканальный ЦАП; 4 - ИВК

В пятой главе показана методика анализа и учета влияния контактных термических сопротивлений (КТС)-на-результаты определения ТФС дисперсных материалов, позволяющая учитывать в расчетных зависимостях конструктивные недостатки и погрешности, а также проведен анализ источников погрешностей результатов Измерений ТФС разработанными методами.

Получены расчетные зависимости, учитывающие наличие КТС в местах крепления нагревателя к эталонным блокам, в месте контакта исследуемого II эталонного образцов. Проведен анализ влияния на результат определения ТФС материала дополнительной защитной измерительной ячейки для исследования влагона-сыщенных, сыпучих или химически агрессивных материалов. Разработан , алгоритм расчета ТФС с учетом влияния КТС и дополнительной ячейки.

На основе расчетных зависимостей были получены выражения для оценки систематических погрешностей определения ТФС.

Относительная погрешность определения коэффициента температуропроводности составляет для первого метода - 7,5 %, для второго метода - 8.4 %. Относительная погрешность определения коэффициента теплопроводности составляет для первого метода - 5,1 %, для второго метода - 5,8 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 В области интегральных преобразований Лапласа решены краевые задачи теплопроводности для многослойных систем контактирующих пластин с различными граничными условиями: постоянством температуры на границах системы и условиями адиабатики на этих границах. ' ■ "

2 На основе полученных решений краевых задач теплопроводности разработаны и исследованы два метода контроля комплекса ТФС плоских образцов дисперсных материалов.

3 Разработаны и изготовлены измерительные устройства, работающие в составе единой АСНИ и позволяющие реализовать на практике разработанные методы. . -

4 Разработана методика поиска реальных параметров измерительных устройств и режимов эксперимента, обеспечивающих адекватность реального процесса измерения ТФС его исходной идеализированной модели.

5 Разработана методика экспериментального определения численных значений параметров преобразования Лапласа, обеспечивающих максимальную точность вычисления интегральных характеристик температуры и теплового потока при значительном сокращении времени и объема экспериментальной информации.

6 Разработана методика анализа и расчета контактных термических сопротивлений в реальных измерительных устройствах, позволяющая учитывать в расчетных зависимостях конструктивные недостатки и погрешности. '

7 Проведен анализ и учет врзможных источников систематических погрешностей измерений ТФС плоских образцов дисперсных материалов.

8 Разработаны математическое, алгоритмическое и.программное обеспечения АСНИ, позволяющие автоматизировать процесс нахождения ТФС, повысить точность и быстродействие при обработке первичной измерительной информации, осуществить управление процессом эксперимента и поиск его оптимальных режимов.

9 Результаты исследований приняты к использованию в НПК(0) "Энергия" (г. Воронеж), а также в учебном курсе "Неразрушающий тепловой контроль в производстве теплоизоляционных материалов" кафедры АСП ТГТУ.

Основные материалы, отражающие результаты диссертационной работы, изложены в следующих публикациях. .

1 Чуриков А. А., Названцева Г. В.* Автоматизированная установка для теп-лофизического контроля дисперсных и сыпучих материалов // 1П научная конференция ТГТУ: Тез. докл. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 1996. - С. 92.

2 Названцева Г. В., Мищенко С. В., Чуриков А. А. Неразрушающий контроль теплофизических характеристик дисперсных сред// Труды молодых ученых и студентов ТГТУ. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 1997. - С. 131 -136." ,,

3 Мищенко С. В., Чуриков А. А., Названцева Г. В. Методика оптимизации режимных и конструктивных параметров неразрушающего теплофизического контроля дисперсных сред // Межвузовский сборник научных трудов "Теплоэнергетика". - Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1997. - С. 107 - 113.

4 Чуриков А. А., Названцева Г.. В.Неразрушакяций контроль теплофизиче-ских характеристик дисперсных сред // Региональный межвузовский семинар: Тез. докл. - Воронеж: Изд-воВГТУ, 1997.'-С. 19- • •

5 Развитие и совершенствование математического, программного, информационного и технического обеспечения АСНИПр процессов тепло- и массопереноса: Отчет по НИР. Тема 4Г-98. - Тамбов: ТГТУ, 1997. - 312 с. - Деп. № 02970004852.

6 Чуриков А. А., Названцева Г, В. Выбор режимных параметров для корректного проведения неразрушающего теплофизического контроля // Новое в тепло-физических свойствах: Тез. докл. Ш Международной теплофизической школы. - Тамбов: Изд-во ЗТТУ, 1998. - С.141 -142. <;|

7 Названцева Г. В., Чуриков А. А. Методика обеспечения минимальной погрешности неразрушающего теплофизического контроля дисперсных сред // Труды молодых ученых и студентов ТГТУ. - Тамбов: изд-во ТГТУ, 1999. Вып 4. -

8 Мищенко С. В^ Чуриков А. А., Названцева Г. В. Условия корректного проведения теплофизического контроля плоских дисперсных образцов // IV научная конференция ТГТУ: Тез. докл. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 1999. - С. 41.'

9 Чуриков А. А., Шишкина Г. В. Методика, повышения точностй измерения теплофизических свойств твердых и дисперсных материалов. - Тамбов, ТГТУ, 1999. - 31 с. - Деп. в ВИНИТИ г. Москва, № 3890-В 99 от 29.12.99.

10 Мищенко С В., Чуриков А. А., Шишкина Г. В. Контактные термические сопротивления при определении теплофизических свойств различных материалов. -Тамбов: Изд-во ТГТУ, 1999. - 26 с. - Деп. в ВИНИТИ.г. Москва, № 3891-В 99 от 29.12.99. .

11 Шишкина Г. В.,-Чуриков А. А. Экспериментальное определение параметров преобразования »Лапласа при вычислении интегральных характеристик температуры //. Труды молодых ученых и студентов ТГТУ. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2000. Вып 5. - С. 4 - 8.

12 Шишкина Г. В. Выбор параметров корректного проведения теплофизического эксперимента // У-маучная конференция ТГТУ: Тез. докл. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2000. - С. 98 - 99; - ■

13 Мищейко С. В., Чуриков А. А., Шишкина Г. В. Проектирование устройств для определения теплофизических свойств твердых и дисперсных материалов // Вестник ТГТУ, Т. 6, № 1. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2000. - С. 6 - 18.

14 Чуриков А. А., Шишкина Г. В. Проектирование условий и параметров корректного проведения теплофизического эксперимента // XIII международная конференция "Математические методы в технике и технологиях": Тез. докл. -С.-Петербург, 2000. ' '' . ,

Названцеву Г. В. считать Шишкиной Г. В. в соответствии со свидетельством Ъ заключении брака 1-КС № .11.97. '• "

Ученый секретарь ^ А.А.Чуриков ;

С. 31 - 35.

Условные обозначения и аббревиатуры.

Введение.

1. Обзор и анализ методов и устройств для определения теплофизических свойств дисперсных материалов.

1.1. Анализ существующих методов и устройств контроля теплофизических свойств дисперсных материалов.

1.2. Особенности исследования теплопроводности капиллярно-пористых тел и дисперсных сред.

1.3. Автоматизированные установки контроля теплофизических свойств.

1.4. Постановка задачи исследования.

2. Теоретические основы методов контроля теплофизических свойств дисперсных материалов.

2.1. Метод определения теплофизических свойств измерительным устройством с внешним термостатированием.

2.1.1. Математическая модель теплопереноса в измерительном устройстве с внешним термостатированием.

2.1.2. Расчетные зависимости и основные операции при определении теплофизических свойств измерительным устройством с внешним термостатированием.

2.2. Метод определения теплофизических свойств измерительным устройством с внешними адиабатическими условиями.

2.2.1. Математическая модель теплопереноса в измерительном устройстве с внешними адиабатическими условиями.

2.2.2. Расчетные зависимости и основные операции при определении теплофизических свойств измерительным устройством с внешними адиабатическими условиями.

2.3. Проектирование параметров эксперимента, обеспечивающих нахождение ТФС исследуемого материала с наименьшей методической погрешностью.

2.4. Экспериментальное определение численных значений параметров преобразования Лапласа при вычислении интегральных характеристик температуры.

2.4.1. Методика определения параметров преобразования

Лапласа по экспериментальным данным.

2.4.2. Пример практической реализации методики.

Выводы по второй главе.

3. Разработка конструкций измерительных устройств.

3.1. Конструкция измерительного устройства с внешним термостатированием.

3.1.1 Структура измерительного устройства и алгоритм проведения эксперимента.

3.1.2. Конструкция чувствительного элемента измерительного устройства.

3.1.3. Конструкция интегратора температуры.

3.2. Конструкция измерительного устройства с внешними адиабатическими условиями.

3.2.1. Структура измерительного устройства с внешними адиабатическими условиями.

3.2.2. Реализация системы адиабатики в эксперименте.

3.3. Проектирование и выбор реальных режимных параметров теплофизического эксперимента.

3.3.1.Последовательность расчета оптимальных геометрических и тепловых параметров эксперимента.

3.3.2 Применение методики проектирования и выбора режимных параметров эксперимента в реальных условиях.

Выводы по третьей главе.

4. Автоматизированная система научных исследований ТФС дисперсных материалов.

4.1. Состав и принцип функционирования АСНИ.

4.2. Последовательность проведения теплофизического эксперимента.

4.2.1. Последовательность расчета ТФС исследуемого образца при заданном времени окончания эксперимента.

4.2.2. Последовательность расчета ТФС исследуемого образца при отсутствии ограничения на длительность эксперимента.

4.3. Алгоритм контроля и управления ходом эксперимента и обработки экспериментальных данных.

Выводы по четвертой главе.

5. Метрологическое обеспечение методов и измерительных устройств.

5.1. Методика анализа и учета влияния контактных термических сопротивлений измерительных устройств на результаты определения ТФС дисперсных материалов.

5.1.1. Контактные термические сопротивления в месте крепления нагревателя к нижнему эталонному блоку.

5.1.2. Контактные термические сопротивления в месте крепления нагревателя к верхнему эталонному блоку.

5.1.3. Контактное термическое сопротивление в месте контакта исследуемого и эталонного образцов.

5.1.4. Контактные термические сопротивления в месте соединения нагревателя с нижним и верхним эталонными образцами.

5.1.5. Определение теплофизических свойств исследуемого материала с учетом всех контактных термических сопротивлений.

5.1.6. Влияние на определение теплофизических свойств материала защитной измерительной ячейки.

5.1.7. Расчет контактных термических сопротивлений по экспериментальным данным.

5.1.8. Алгоритм расчета ТФС с учетом влияния термических контактных сопротивлений и дополнительной ячейки.

5.2. Анализ и оценка систематических инструментальных погрешностей.

5.2.1. Анализ погрешности, вызванной теплоемкостью и тепловой инерцией термопреобразователя сопротивления интегратора.

5.2.2. Анализ погрешности, вызванной оттоком тепла по соединительным проводам от нагревателя.

5.2.3. Анализ погрешности измерения сопротивления интегратора измерительным неуравновешенным мостом.

5.2.4. Анализ погрешности преобразования величины сопротивления интегратора в значение температуры.

5.3. Анализ и оценка систематических методических погрешностей при измерении теплопроводности и температуропроводности.

Выводы по пятой главе.

Во многих отраслях современного промышленного производства, особенно в строительстве, химической, пищевой и микробиологической промыш-ленностях, значительное влияние на энергопотребление и качество продукции оказывают контролируемые и управляемые процессы теплопереноса. Учет влияния этих процессов возможен при теоретически глубоких знаниях и постоянном или периодическом контроле теплофизических свойств (ТФС) применяемых в рассматриваемом производстве материалов и изделий. Поэтому вопросам тепловых исследований основных характеристик производственного процесса, тепловому проектированию и особенно экспериментальной отработке тепловых режимов придается все большее значение. Особую актуальность приобретает разработка комплексных методов контроля ТФС различных по природе и физическому состоянию материалов, построение на их базе лабораторных или мобильных установок или приборов, а также внедрение в производство комплексных автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), позволяющих повысить оперативность, надежность и производительность контроля ТФС различных материалов, образцов и готовых изделий.

В настоящее время в различных областях науки и техники для тепловой защиты и промышленных целей все более широкое применение находят дисперсные материалы. При этом задача прогнозирования и контроля их свойств остается далекой от своего идеального решения. Это в полной мере относится и к таким параметрам дисперсных материалов, как их ТФС [1].

В современных условиях производства теплозащитных или идентичных им материалов наиболее эффективны и экономичны тепловые методы контроля качества изделий, так как они обеспечивают достаточную объективность, а также позволяют оценить изменение свойств материала и параметров изделия в процессе его хранения и эксплуатации [2].

Среди различных методов теплового контроля качества изделий широкими функциональными возможностями обладают активные контактные тепловые методы, которые позволяют определять качество исследуемых материалов по их теплофизическим свойствам [3]. Известно, что теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью измерительных экспериментов.

Для современного развития техники теплофизических экспериментальных исследований характерна тенденция к повышению производительности и информативности эксперимента, которая предусматривает два направления. Во-первых, создание энергомалоемких и быстродействующих экспресс - методов и измерительных устройств для исследования ТФС различных материалов. Применение экспресс - методов требует более жесткого поддержания специальных условий измерений и получения ограниченной по объему и времени информации, что можно осуществить с использованием современных микропроцессорных систем сбора и обработки данных, управления ходом эксперимента. Во-вторых, разработка и развитие методов и измерительных устройств комплексного типа, обеспечивающих получение совокупности свойств в ходе одного эксперимента.

Настоящая работа посвящена разработке методов и автоматизированных систем для контроля теплофизических свойств плоских образцов дисперсных материалов. Методологической основой теоретического исследования является математический аппарат интегральных характеристик [4], требующий большого объема экспериментальной информации, что гарантирует объективность результата и позволяет получить достаточно простые расчетные формулы методов теплофизического контроля дисперсных материалов. Автоматизированные установки проектировались и создавались по принципу блочной структуры с использованием серийных современных средств цифровой измерительной и вычислительной техники.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Два метода контроля комплекса теплофизических свойств плоских образцов дисперсных материалов или насыпного слоя сыпучего вещества.

2. Измерительные устройства, входящие в состав АСНИ и предназначенные для контроля ТФС дисперсных материалов как в лабораторных, так и в промышленных условиях.

3. Математическое и метрологическое обеспечение методов контроля

ТФС.

4. Методики проведения автоматизированного теплофизического контроля различных материалов.

5. Методика проектирования и выбора реальных параметров измерительных устройств (состоящих из геометрии и свойств эталонных образцов) и режимов теплофизического эксперимента, позволяющих определять ТФС дисперсных материалов с минимальной методической погрешностью.

6. Методика анализа и учета конструктивных и граничных контактных термических сопротивлений в измерительных устройствах.

Актуальность работы. Современный уровень развития энергосберегающих технологий и теплотехники предъявляет повышенные требования к методам измерений теплофизических свойств с точки зрения их универсальности, быстродействия и точности получаемых экспериментальных данных. В данном случае под универсальностью мы понимаем возможность исследования комплекса ТФС различных материалов: твердых, дисперсных, влагонасыщенных, химически агрессивных и мелкодисперсных сыпучих сред.

Так как методы теплофизического контроля основаны на косвенных измерениях, то точность и достоверность определения ТФС во многом обуславливается тем, насколько математическая модель адекватна реальным тепловым процессам, происходящим в процессе измерения ТФС. Поэтому важной задачей является поиск реальных параметров измерительных устройств и режимов теплофизического эксперимента, обеспечивающих определение ТФС различных материалов с наименьшей методической погрешностью.

Перед нами была поставлена задача контроля ТФС плоских образцов небольшой толщины или тонкого слоя сыпучего материала.

Измерительные устройства для исследования теплофизических свойств плоских образцов дисперсных материалов в основном базируются на модели, которая предусматривает создание на внешних границах постоянной температуры, что вызывает необходимость использования для этой цели термостатов (обычно жидкостных). Применение таких термостатов оправдано в лабораторных условиях, где можно использовать громоздкое стационарное оборудование, но для промышленных условий контроль ТФС требует использования автономных мобильных измерительных устройств и систем. Поэтому важной проблемой, решаемой в данной диссертационной работе, является создание мобильного измерительного устройства, на внешних границах которого применяются специальные блоки, поддерживающие адиабатические условия, что достаточно просто реализуется на современном уровне развития микропроцессорной и компьютерной техники, а также вполне оправдано с точки зрения экономии энергии.

Таким образом, актуальность приобретает разработка более эффективных и энергетически экономных методов контроля ТФС различных материалов и создание на их базе измерительных устройств, работающих в составе АСНИ, в свою очередь обеспечивающей оперативность получаемых результатов и повышение их информативности.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом работ Научного совета РАН по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" на 1993-2000 г.г. (раздел 1.1. - "Теплофизические свойства веществ"), по теме "Разработка методов и устройств для измерения теплофизических свойств и характеристик переноса твердых, сыпучих, пастообразных и жидких технологических сред, веществ, материалов и изделий"; в соответствии с Межвузовской отраслевой научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении", тема 8/96; а также в соответствии с Госбюджетной тематикой Роскомвуза РФ "Развитие и совершенствование математического, программного, информационного и технического обеспечения автоматизированной системы научных исследований и проектирования процессов тепло- и массопереноса", тема 4Г-96.

Предмет исследования. Математические модели, методы и реализующие их автоматизированные системы и установки для теплофизического контроля дисперсных материалов.

Цель работы. Разработка эффективных теплофизических методов и измерительных устройств в составе АСНИ, максимально использующих экспериментальную информацию и обеспечивающих определение комплекса ТФС плоских образцов дисперсных материалов с наименьшей погрешностью. Для достижения поставленной цели необходимо:

- на основе математических моделей нестационарного теплопереноса разработать оперативные методы контроля ТФС дисперсных материалов;

- создать методику выбора реальных и оптимальных параметров измерительных устройств и режимов теплофизического эксперимента, позволяющих определять ТФС материалов с минимальной методической погрешностью, а также повысить быстродействие и точность измерения;

- разработать и изготовить измерительные устройства лабораторного и промышленного типа, работающие в составе единой АСНИ и позволяющие реализовать на практике разработанные методы;

- разработать метод анализа и учета влияния контактных термических сопротивлений измерительного устройства на результаты определения ТФС различных материалов;

- провести анализ и учет возможных источников погрешностей измерений ТФС дисперсных материалов;

- осуществить апробацию результатов научно-исследовательской работы в лабораторных и производственных условиях.

Научная новизна.

1. В области интегральных преобразований Лапласа решены две краевые задачи теплопроводности для многослойных систем контактирующих пластин с различными граничными условиями: постоянства температуры на внешних границах системы или условиями адиабатики на этих границах.

2. Разработаны и исследованы два метода контроля комплекса ТФС плоских образцов дисперсных материалов и реализующие их измерительные устройства, позволяющие получить необходимый объем экспериментальных данных и управлять длительностью эксперимента. Предложенная в этих методах схема измерения температуры интегральными датчиками и их оптимальное расположение в измерительном устройстве обеспечивают требуемую и стабильную точность определения ТФС в широком диапазоне их изменения.

3. Разработана методика поиска реальных параметров измерительных устройств и режимов эксперимента, обеспечивающих адекватность реального процесса измерения ТФС его исходной идеализированной модели. Это позволяет, в свою очередь, определять ТФС с минимальной методической погрешностью.

4. Разработана методика экспериментального определения численных значений параметров преобразования Лапласа, обеспечивающих требуемую точность вычисления интегральных характеристик температуры и теплового потока при значительном сокращении времени и объема экспериментальной информации.

5. Разработана методика анализа и расчета существующих контактных термических сопротивлений в реальных измерительных устройствах, позволяющая учитывать в расчетных зависимостях конструктивные неточности и погрешности.

6. Разработаны математическое, алгоритмическое и программное обеспечения АСНИ, позволяющие автоматизировать процесс определения ТФС, повысить точность и быстродействие при измерении и обработке первичной измерительной информации.

Практическая ценность. На основе разработанных методов спроектированы, созданы и апробированы два типа измерительных устройств в составе АСНИ, позволяющих контролировать ТФС различных материалов как в лабораторных, так и в цеховых условиях. Методика определения оптимальных условий теплофизического эксперимента позволила создать измерительные устройства вполне конкретных геометрических размеров для исследования заданных образцов, выбрать необходимые эталонные образцы, определить места расположения датчиков и моменты измерения ими температуры. Конструкция измерительных устройств позволяет исследовать ТФС как твердых, так и сыпучих и влагонасыщенных дисперсных материалов.

Для обоих измерительных устройств разработаны методики проведения автоматизированного теплофизического контроля, а также пакет программ, реализующий в составе измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) алгоритмы управления ходом эксперимента и алгоритмы расчета искомых ТФС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на III Научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996 г.), на Региональном межвузовском семинаре "Моделирование процессов тепло- и массообмена" (Воронеж, 1997 г.), на III Международной теплофизической школе (Тамбов, 1998 г.), на IV и V Научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 1999 г., 2000 г.), на XIII Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (С.-Петербург, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, подана заявка на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 119 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В области интегральных преобразований Лапласа решены краевые задачи теплопроводности для многослойных систем контактирующих пластин с различными граничными условиями: постоянства температуры на границах системы и условиями адиабатики на этих границах.

2. На основе полученных решений краевых задач теплопроводности разработаны и исследованы два метода контроля комплекса ТФС плоских образцов дисперсных материалов.

3. Разработаны и изготовлены измерительные устройства, работающие в составе единой АСНИ и позволяющие реализовать на практике разработанные методы.

4. Разработана методика поиска реальных параметров измерительных устройств и режимов эксперимента, обеспечивающих адекватность реального процесса измерения ТФС его исходной идеализированной модели.

5. Разработана методика экспериментального определения численных значений параметров преобразования Лапласа, обеспечивающих максимальную точность вычисления интегральных характеристик температуры и теплового потока при значительном сокращении времени и объема экспериментальной информации.

6. Разработана методика анализа и расчета контактных термических сопротивлений в реальных измерительных устройствах, позволяющая учитывать в расчетных зависимостях конструктивные недостатки и погрешности.

7. Проведен анализ и учет возможных источников систематических погрешностей измерений ТФС дисперсных материалов.

8. Разработаны математическое, алгоритмическое и программное обеспечения АСНИ, позволяющие автоматизировать процесс нахождения ТФС, повысить точность и быстродействие при обработке первичной измерительной информации, осуществить управление процессом эксперимента и поиск его оптимальных режимов.

168

9. Результаты исследований приняты к использованию в НПК(О) "Энергия" (г. Воронеж), а также в учебном курсе «Неразрушающий тепловой контроль в производстве теплоизоляционных материалов» кафедры АСП ТГТУ.

1. Маврин С. В., Стеньгач А. В. Стохастическая модель дисперсных систем // Инж.-физ. журн., 1999, Т. 72, № 2. - С. 245-250.

2. Потапов А.И., Морокина Г.С. Состояние неразрушающих методов контроля качества композиционных материалов за рубежом. В сб.: Приборы и методы контроля качества. - Северозападный полит, инст., 1989. - С. 6-11.

3. Варганов И.С., Лебедев Т.Г., Конков В.В. Современное состояние и основные проблемы тепловых методов неразрушающего контроля // Промышленная теплотехника, 1983, Т.5, № 3. С. 80-93.

4. Власов В.В. и др. Теплофизические измерения. Справочное пособие по методам расчета полей, характеристик тепломассопереноса и автоматизации измерений,- Тамбов, 1975. 256 с.

5. Волькенштейн B.C. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материала. -М.: Энергия, 1971. 145 с.

6. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. -487 с.

7. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. -408 с.

8. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М. - Л.: Машгиз, 1956. - 253 с.

9. Коротков П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактные измерения тепловых величин. Л.: Машиностроение, 1974. - 222 с.

10. Ю.Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твердых тел. М.: Энергия, 1977. - 96 с.

11. П.Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

12. Платунов Е.С. и др. Теплофизические измерения и приборы. Л.: Машиностроение, 1986.-256 с.

13. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. Л.: Энергия, 1973. - 143 с.

14. Мищенко C.B., Муромцев Ю.Л., Цветков Э.И., Чернышов В.Н. Анализ и синтез измерительных систем. Тамбов, ТГТУ, 1995. - 238 с.

15. Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н., Козлов В.П. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. JL: Энергия, 1973. -242 с.

16. Шлыков Ю.П., Гарин Е.А. Контактный теплообмен. M. - JL: Энергия, 1963. - 144 с.

17. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности. М.: Из-во литературы, 1960.-478 с.

18. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур,- Л.: Энергия, 1967. 298 с.

19. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высшая школа, 1978.-328с.

20. Волохов Г.М., Шашков А.Г., Фрайман Ю.Е. Некоторые методы и приборы для исследования теплофизических характеристики // Инж. физ. журн, 1967, Т. 13, № 15.-С. 663-689.

21. Исаченко В.Л., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энерго-издат, 1991. -292 с.

22. Ермолов И. Н., Останин Ю. А. Методы и средства неразрушающего контроля качества. М.: Высшая школа, 1988. - 368 с.

23. А. С. № 1827607, МКИ G 01 N 25/18. Способ определения коэффициента теплопроводности больших массивов неоднородных сред / Ю. С. Даниэлян, В. С. Зайцев и др., 1993.

24. А. С. № 1728755, МКИ G 01 N 25/18. Способ определения теплофизических характеристик материалов / А. И. Фесенко, В. В. Штейнбрехер и др., 1992.

25. А. С. № 1267242, МКИ G 01 N 25/18. Способ определения теплофизических характеристик материалов / Р. Р. Мулюков, В. Е. Зиновьев, 1986.

26. А. С. № 1718080, МКИ G 01 N 25/18. Способ измерения теплофизических характеристик и устройство для его осуществления / А. Г. Войтенко, А. В. Станкевич, 1992.

27. А. С. № 1561024, МКИ G 01 N 25/18. Способ неразрушающего контроля теплопроводности материалов / А. Е. Белов, Г. Я. Соколов, 1990.

28. А. С. № 1684644, МКИ G 01 N 25/18. Способ определения коэффициента теплопроводности твердых материалов и устройство для его осуществления / Ю. С. Даниэлян, В. С. Зайцев и др., 1991.

29. А. С.№ 1770871, МКИ G 01 N 25/18. Устройство для определения теплофи-зических характеристик материалов / Б. П. Колесников, 1992.

30. Гаврильев Р. И., Никифоров И. Д. Метод определения теплофизических свойств горного массива без нарушений естественной структуры // Инженерно-физический журнал, 1983, Т. 45, № 6. С. 1023.

31. Белов Е. А., Курепин В. В., Нименский Н. В. Определение теплопроводности и температуропроводности твердых тел односторонним зондированием поверхности // Инж.-физ. журнал, 1985, Т. 49, № 3. С. 463-465.

32. Беляев О. В., Спирин Г. Г. и др. Особенности метода иррегулярного режима при исследовании теплопроводности твердых тел // Инж.-физ. журнал, 1998, Т. 71, №5.-С. 805-810.

33. A.C. № 458753, МКИ G 01 N 25/18. Способ определения теплофизических свойств материалов / С.З. Сапожников, Г.М. Серых, 1975.

34. Власов В.В., Шаталов Ю.С., Зотов E.H. и др. Методы и устройства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов массивных тел // Измерительная техника, 1980, № 6. С. 42-45.

35. Власов В.В., Шаталов Ю.С., Чуриков A.A., Зотов E.H. Неразрушающий контроль зависящих от температуры коэффициентов тепло- и температуропроводности // Промышленная теплотехника, 1981, Т. 3, № 3. С. 43-52.

36. Мищенко С.В., Чуриков A.A., Подольский В.Е. Метод неразрушающего контроля при исследовании температурной зависимости теплофизических характеристик массивных образцов // Вестник ТГТУ, 1995, Т. 1, № 3 4. - С. 246-254.

37. Подольский В.Е. Разработка и исследование методов, устройств и автоматизированной системы контроля характеристик тепломассопереноса дисперсных материалов. Кандидатская диссертация. Тамбов: ТГТУ, 1996. - 180с.

38. Поляков В. В., Утемесов М. А. и др. Применение метода зонда к исследованию теплопроводности порошковых материалов // Теплофизические свойства веществ: Труды VII Всесоюзной конференции АН СССР / Новосибирск, 1989.- С. 282.

39. Чудновский А. Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. -М.: Физматгиз, 1962.

40. Тепло- и массоперенос в дисперсных системах / Под ред. Н. В. Антошина. -Минск: Высшая школа, 1982.

41. Лыков А. В. Тепломассообмен. Справочник. -М.: Энергия, 1978. -480 с.

42. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов / С. И. Исаев, И. А. Кожинов, В. И. Кофанов и др.; Под ред. А. И. Леонтьева. М.:Высшая школа, 1979. -495 с.

43. Дульнев Г. Н., Новиков В. В. Процессы переноса в неоднородных средах. -Л.: Энергия, 1991.

44. Абраменко А. Н., Калиниченко А. С., Бурцер И. Я. и др. // Инж.-физ. журн., 1999, Т. 72, №3,- С. 397-401.

45. Мандель А. М. Аналитический расчет проводимости резко неоднородных сред с учетом перколяционных явлений // Инж.-физ. журн., 1999, Т. 72, № 1. -С. 61-65.

46. Лыков А. В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. М.: Гостех-издат, 1954.-296 с.

47. Thermal conductivity of porous systems / A. V. Lukov, A. G. Shaslikov, L. L. Va-siliev, I. E. Fraiman. Int. I. Heat and Mass Transfer, 1968, vol. 11, № 2. - p. 117-140.

48. Никитин В. С., Забродский С. С., Антошин Н. В. О теплопроводности засыпок дисперсного материала при высоких температурах в вакууме / Изв. АН БССР. Сер. физ.-энерг. наук, 1968, № 1. С. 82-101.

49. Лыков А. В. Теория сушки. -М.: Энергия, 1968. -471 с.

50. Batez Т. R., Forester А. Т. Coupled molecular flow and surface diffusion. Application to cesium transport. Appl. Phys., 1967, vol. 38, № 4, p. 1956-1968.

51. Васильев Л. Л. Теплопроводность сухих пористых систем / В кн.: Исследования по теплопроводности. Минск: Наука и техника, 1967. - С. 262-290.

52. Дульнев Г. Н., Сигалова 3. В. Эффективная теплопроводность зернистых материалов // Инж.-физ. журн., 1967, Т. 13, № 5. С. 245-250.

53. Krischer О., Gesund. Int., 1934. Н 33.

54. De Vries D. A. The thermal conductivity of granular materials. Paris, Ins. intern, froid., 1955.

55. Серых Г. M. Изв. Томского политехнического института, вып. 101, 1958.

56. Каганер М. Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Машиностроение, 1968.

57. Дульнев Г. Н., Сигалов 3. В. Теплопроводность зернистых систем / В кн.: Тепло- и массооперенос. М.: Энергия, 1966, Т. 7.

58. Васильев Л. Л. Исследование теплофизических свойств строительных материалов при низких температурах / В кн.: Проблемы строительной теплофизики. Минск: Высшая школа, 1964. - С. 408-421.

59. Васильев JI. Л., Фрайман Ю. Е. Теилофизические свойства плохих проводников тепла. Минск: Высшая школа, 1971. - 173 с.

60. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. -М.: Химия, 1968.

61. Прасолов Р. С. Обобщение уравнения теплопроводности газов // Известия вузов. Приборостроение, 1968, Т. 4, № 6.

62. Казанский М. Ф., Куландина А. И. Влияние форм связи влаги на теплопере-нос в типичных капиллярно-пористых телах // Инж.-физ. журн., 1959, № 5. -С. 88-92.

63. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974.

64. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П., Кананадзе Б.Г., Известия ВУЗов, Приборостроение, 1975, т. 18, № 3.

65. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Прогнозирование теплофизических и физико-механических свойств смесей и композиционных материалов в широком диапазоне температур. Доклады 5 Европейской конференции по теплофизи-ческим свойствам. М., 1976. - 12 с.

66. Козлов В.П., Станкевич A.B. Микропроцессоры в теплофизических измерениях: Обзор информации / Белорусский НИИНТИ. Минск, 1986. - 44 с.

67. Египко В.М. Состояние и перспективы направления развития систем автоматизации научно-технического эксперимента. Киев: Наукова Думка, 1971.-14 с.

68. Васильев М.В. К вопросу о тепловом эксперименте // Инженерно-физический журнал, 1984, Т. 47, № 2. С. 25-255.

69. Мищенко C.B., Чуриков A.A., Подольский В.Е. Метод теплофизического контроля для автоматизированной системы научно-технического эксперимента // Термодинамика и теплофизические свойства веществ: Сб. науч. тр. / МЭИ, М.: 1989, № 206. С. 68-71.

70. Козлов В.П., Станкевич A.B. Методы неразрушающего контроля при исследовании теплофизических характеристик твердых материалов // Инженерно-физический журнал, 1984, Т. 47, № 2. С. 250-255.

71. Козлов В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности. Минск: Наука и техника, 1986. - 392 с.

72. Буравой С.Е. Теория, методы и средства определения теплофизических характеристик материалов холодильной и криогенной техники при комбинированных тепловых воздействиях: Автореферат диссертации доктора технических наук. Сиб., 1996. 31 с.

73. Козин В.М., Курепин В.В., Олейник Б.Н. Электронные блоки цифровых теплофизических приборов // Изв. вузов. Сер. Приборостроение, 1982, Т. 25, №10.-С. 89-92.

74. Платунов Е.С., Левочкин Ю.В., Козин В.М., Григорьев Ю.В. Цифровой экспресс-измеритель теплофизических свойств веществ // Промышленная теплотехника, 1982, Т. 4, № 1. С. 51-55.

75. Козин В.М., Курепин В.В. Входные устройства цифровых теплофизических приборов // Изв. вузов. Сер. приборостроение, 1982, Т. 25, № 9. С. 87-91.

76. Рыбаков В.И., Матвеев Ю.А., Филимонов А.Д. Прибор для определения коэффициента тепловой активности пола // Сб. науч. тр. / НИИМосстрой. М., 1968, Вып. 6.-С. 263-267.

77. Платунов Е.С. Средства измерения теплопроводности и теплоемкости в области средних, низких и криогенных температур // Инженерно-физический журнал, 1987, Т. 53, № 6. С. 987-994.

78. Курепин В.В., Козин В.М., Левочкин Ю.В. Прибор для теплофизических измерений с прямым отсчетом // Промышленная теплотехника, 1982, Т. 50, № 6.-С. 91-97.

79. Алифанов О.М. Автоматизированный комплекс обработки данных тепловых экспериментов // Тепломассообмен V. Киев, 1976. - С. 44-51.

80. Бацевичус Г.И. Автоматизация исследований процессов тепломассообмена // Механика VI: Материалы конф. «Развитие технических наук в респ. Использование их результатов». Каунас, 1975. - С. 192-197.

81. Бицютко И .Я., Муллаев Э.Д.-Г. Комплекс аппаратуры для теплотехнических измерений // Проблемы тепло- и массообмена-77/ ИТМО АН БССР. -Минск, 1977. С. 107-108.

82. Василевич О.С. Опыт и использование автоматической регистрации экспериментальных данных при исследованиях теплообмена // Тепломассообмен V.-Киев, 1976.-С. 38-44.

83. АСУ влажностно-тепловыми параметрами / Сост. C.B. Мищенко, И.Ф. Бородин. М.: Росагропромиздат, 1988. - 223 с.

84. Власов В.В., Кулаков М.В., Фесенко А.И. Автоматические устройства для теплофизических измерений твердых материалов. Тамбов, ТИХМ, 1972. -160с.

85. Дульнев Г. И., Кожемяко В. JL, Львова Г. А., Фейгельс В. 3. Автоматизация сбора информации при теплофизическом эксперименте // Известия вузов. Приборостроение, 1974, T. XVII, № 4. С. 122-129.

86. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975.-227 с.

87. Коздоба Л. А. Решения нелинейных задач теплопроводности. Киев: Науко-ва думка, 1976. - 136 с.

88. Чуриков А. А., Шишкина Г. В. Методика повышения точности измерения теплофизических свойств твердых и дисперсных материалов / Тамб. гос. унт. Тамбов, 1999. - 31 е.; ил. - Библиогр.: 10 назв. - Рус. - Деп. 29.12.99., № 3890-В99.

89. Патент РФ № 2027172, кл. G 01 N 25/18, 1995.

90. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. - 720 с.

91. Гамаюнов Н. И., Испирян Р. А., Калабин А. Л., Шейнман А. А. Метод комплексного определения теплофизических характеристик и алгоритм обработки экспериментальных данных на ЭВМ // Инж.-физ. журн., 1988, Т. 55, № 2. С. 265-270.

92. Иида П., Отани С., Стефан К. Экспериментальный метод определения скорости выделения тепла, температуропроводности и теплопроводности твердых веществ // Приборы для научных исследований, 1984, № 10. -С.126-132.

93. A.C. СССР № 1689825, МКИ G 01 N 25/18. Способ определения теплофизических характеристик материалов / С. В. Мищенко, А. М. Карпов, А. А. Чуриков и др., 1991.

94. Чуриков А. А. Разработка и исследование методов и устройств для автоматизированного неразрушающего контроля температурозависимых тепло-физических свойств твердых теплозащитных материалов. Кандидатская диссертация. - М.: МИХМ, 1980. - 323 с.

95. Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1986. - 464 с.

96. Богданов С. Н., Иванов О. Г. Холодильная техника. Свойства веществ. -Л.: Машиностроение, 1976. 168 с.

97. Вавилов В. П. Тепловые методы неразрушающего контроля. М.: Машиностроение, 1991. - 240 с.

98. Буравой С. Е., Курепин В. В., Платунов Е. С. Теплофизические приборы // Инж.-физ. журн., 1986, Т. 30, № 4. С. 741-753.

99. Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970. - 664 с.

100. Попов В. М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. - 216 с.

101. Дунин-Барковский И. В., Карташова А. Н. Измерения и анализ шероховатостей, волнистости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978.-232 с.

102. Новиков В. С. Термическое сопротивление контакта сжимаемых шероховатых поверхностей // Теплофизика и теплотехника: Сб. научных работ. -Киев: Наукова думка, 1983. С. 123-124.

103. Айзен А. М., Черных Л. Ф., Лисовенко А. Т. О решении задач нелинейной теплопроводности двухслойных сред с неидеальным тепловым контактом // Теплофизика высоких температур, 1975, Т. 3, № 2. С. 397-402.

104. Капустин В. Ф., Тайц Д. А. Расчет тепловой проводимости контурной поверхности при контакте твердых тел // Известия вузов, 1977, Т. 20, № 2, С. 111-117.

105. Разработка методов и устройств для контроля и управления технологическими процессами: Отчет и НИР / ТИХМ; Руководитель С. В. Мищенко. № ГР 01826009658, инв. № 02850023455. - Тамбов, 1985, ч.1 - 86 е., ч. 2 - 92 с.

106. Таблицы физических величин / Под ред. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.-832 с.

107. Симбирский Д. Ф. К вопросу погрешности термометров сопротивления, вызываемой теплообменом термоприемника с державками. В кн.: Самоле179тостроение и техника воздушного флота. Харьков: из-во Гос. ун-та, 1966, вып. 5, С. 86-91.

108. Волчок J1. Я. О погрешности приборов, обусловленной теплообменом измерительной проволоки с державками // Инж.-физ. журн., 1959, Т. 2, № 6. -С. 9-17.

109. Думова Р. Г., Сергеев О. А. и др. О случайных погрешностях измерения малых разностей температур контактными термоприемниками. Тр. метрологических ин-ов, 1971, вып. 129, С. 228-236.

110. П 1. Решение нестационарной задачи теплопроводности для метода определения ТФС измерительным устройством с внешним термостатированием

111. Система контактирующих образцов (2.3)-(2.14) в области временных интегральных характеристик имеет вид линейных дифференциальных уравнений:а