автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка зондовых методов измерения теплопроводности грунта на основе термопреобразователей сопротивления

005004202

СЯКТЕРЕВА Виктория Викторовна

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ЗОНДОВЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГРУНТА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

-1 ДНК 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2011

005004202

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Куликов Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ивлиев Андрей Дмитриевич

доктор технических наук, профессор Сапельников Валерий Михайлович

Ведущая организация: Физико-технический институт УрО РАН

Защита диссертации состоится « 16 » декабря 2011 г. в 14 часов на заседании регионального диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34; тел. (3412) 50-82-00.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Автореферат разослан «•/■/» ноября 2011 г.

^Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор уА у В- В. Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Потребность в измерение теплофизических параметров (ТФП) веществ и материалов в настоящее время существует во многих областях науки и техники. Достоверные данные о ТФП фунта необходимы и важны для приоритетных направлений, связанных с проблемами энергосбережения, в строительстве объектов различного назначения, в нефтегазовой промышленности и т.д. Для перечисленных областей актуально знание ТФП грунта в реальных (полевых) условиях, так как некорректный их выбор при проектных расчетах может привести к снижению работоспособности и к возникновению аварийных ситуаций при эксплуатации сооружений.

Выпускаемые современные приборы российского и иностранного производства в большинстве случаев предназначены для измерения ТФП твердых материалов и ориентированы на исследование тепловых свойств на образцах определенных размеров и формы. Применительно к измерению ТФП грунта это означает, что большинство приборов предназначены для использования в лабораторных условиях.

Задача определения ТФП грунта имеет специфические особенности в связи с тем, что структура грунта отличается от структуры сплошного твердого тела. Во многих случаях необходимо знание ТФП грунта не в одной точке, а, например, на разной глубине от поверхности, а также в зависимости от времени и параметров окружающей среды.

Для решения этой задачи из всего многообразия существующих методов измерения ТФП веществ и материалов перспективно использование зондовых методов, основы теории которых изложены в работах A.B. Лыкова, А.Ф. Чудновского, М.А. Каганова, Л.Ф. Янкелева, Г.М. Волохова, В.П. Козлова, I.H. Blackwell и др. Специфика этих методов состоит в том, что они основаны на решениях задач теплопроводности о действии источника (зонда) постоянной мощности или импульсного источника тепла в неограниченной среде. При этом конструкция зонда может иметь свои особенности, определяемые предметом исследования. Для исследования ТФП грунта и почв находят применение зонды плоской, цилиндрической и сферической конструкции. Наличие в зондах раздельных нагревателей и датчиков температуры усложняет их конструкцию, особенно при использовании в полевых условиях.

Исключить этот недостаток возможно за счет совмещения в одном элементе зонда функций нагревателя и датчика температуры, например, применяя термопреобразователь сопротивления (ТПС). В этом случае ток нагрева зонда одновременно будет являться измерительным током ТПС. Увеличение тока нагрева повышает мощность нагревателя и точность измерения температуры вследствие возрастания чувствительности ТПС.

При измерении в полевых условиях необходимо снижать время измерений для уменьшения влияния параметров окружающей среды. При этом возникает необходимость повышения разрешающей способности аппаратуры по измеряемой темпе-

ратуре и увеличения быстродействия метода. Поэтому разработка и совершенствование зондовых методов для измерения теплопроводности фунта является актуальной задачей.

Целью данной работы является разработка зондовых методов на основе термопреобразователей сопротивления, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышение быстродействия при измерении теплопроводности грунта в полевых условиях.

В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка зондового метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта на основе ТПС цилиндрической конструкции.

2. Разработка нестационарного метода определения теплопроводности грунта на основе ТПС.

3. Экспериментальные исследования предлагаемых зондовых методов измерения теплопроводности грунта в лабораторных и полевых условиях.

4. Разработка системы для измерения теплопроводности грунта на основе результатов исследования зондовых методов.

Объектом исследования являются зондовые методы измерения теплопроводности грунта на основе термопреобразователей сопротивления цилиндрической конструкции с чувствительным элементом из медного микропровода.

Предмет исследования - информационное, методическое и аппаратное обеспечение измерений теплопроводности грунта.

Методами исследования являются методы стационарной и нестационарной теплопроводности, математическое моделирование на основе компьютерных электрических моделей, методы аналогий, теории погрешностей, статистические и экспериментальные методы. В процессе исследований, при обработке и оформлении результатов использованы компьютерные программы Micro-Cap, Mathcad, язык программирования С++ и приложения Microsoft Office.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждаются корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов методами математического моделирования и экспериментами, воспроизводимостью экспериментальных результатов и использованием при экспериментальных исследованиях аттестованных средств измерений, многократным измерением с использованием эталонных образцов, оценками погрешностей исследований.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность реализации метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта зондом цилиндрической конструкции на основе ТПС;

- разработана электротепловая модель системы датчик-среда, на основе кото-. рой разработан алгоритм измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара;

- разработан алгоритм обработки данных, основанный на определении асимптоты температуры ТПС, позволяющий сократить время измерений теплопроводности методом неограниченного шара;

- предложена модификация нестационарного метода линейного источника тепла на основе ТПС из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции; разработаны и исследованы модели измерительного зонда;

- путем компьютерного моделирования и экспериментально подтверждена возможность реализации нестационарного метода цилиндрического зонда на основе ТПС из медного микропровода для измерения коэффициента теплопроводности грунта;

- обоснованы требования к системе измерения теплопроводности грунта в полевых условиях для реализации стационарного и нестационарного методов цилиндрического зонда на основе ТПС.

Практическая значимость работы заключается в разработке измерительных зондов цилиндрической конструкции на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода и методик измерения теплопроводности грунта по методу неограниченного шара и нестационарному методу цилиндрического зонда в полевых и лабораторных условиях, в разработке измерительной системы с улучшенными метрологическими характеристиками и программного обеспечения для реализации методов измерений с использованием современных средств вычислительной техники.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зондом цилиндрической конструкции с совмещенными нагревателем и датчиком температуры в виде термопреобразователя сопротивления возможно измерение теплопроводности грунта путем измерения термического сопротивления системы зонд-грунт, последующего выделения термического сопротивления грунта и расчета значения теплопроводности. Применение алгоритма обработки данных, основанного на определении асимптоты температуры ТПС, позволяет сократить время измерений до 3 раз.

2. Совмещение функций нагревателя и измерителя температуры в одном элементе зонда упрощает его конструкцию, повышает чувствительность по измеряемой температуре и позволяет снизить необходимый уровень нагревания грунта и энергозатраты на проведение измерений в полевых условиях.

3. По динамике температуры нагревателя цилиндрического зонда возможно определять теплопроводность грунта при условии, что инерционность зонда ниже инерционности грунта, вовлекаемого в измерения. Для уменьшения времени измерений необходимо уменьшать тепловую инерционность цилиндрического зонда.

4. Предложенные электротепловые модели цилиндрического зонда каркасной и бескаркасной конструкции и системы зонд-среда пригодны для исследования тепловых процессов при измерении теплопроводности грунта. Разработанные цилиндрические зонды и информационно-измерительная система пригодны для из-

мерения теплопроводности грунта статическим методом неограниченного шара и динамическим методом линейного нагревателя в полевых условиях.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях: Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2010» (г. Одесса, декабрь 2010); 17-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 24-25 февраля 2011 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2 декабря 2008 г.); 1-ой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, посвященной 25-летию кафедры «Приборы и методы контроля качества» (г. Ижевск, 22-23 апреля 2010 г., диплом 2 степени); 4-ой ежегодной научно-технической конференции факультета «Информатика и вычислительная техника», посвященной 50-летию кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ (г. Ижевск, 25 апреля 2009 г.); 8-ой выставке-сессии инновационных проектов республиканского молодежного форума (г. Ижевск, 15-16 октября 2009 г., диплом 1 степени); научно-технической конференции факультета «Информатика и вычислительная техника» ИжГТУ «Информационные технологии в науке, промышленности и образовании» (г. Ижевск, 24 апреля 2010 г.); научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» ИжГТУ (г. Ижевск, 15-18 марта 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 6 публикаций в сборниках трудов конференций. По результатам исследований получены патент РФ № 105442 U1, кл. G01K7/16 «Термопреобразователь сопротивления» и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613302 «Программа управления измерениями теплопроводности грунта».

Личный вклад автора. Модели, алгоритмы и методики, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично.

Макет прибора, используемый при экспериментальных исследованиях, разработан коллективом кафедры «Вычислительная техника» при участии автора.

Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя д.т.н., профессора Куликова В. А.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде макета системы используются на кафедре «Вычислительная техника» ИжГТУ в научной и учебной деятельности бакалавров и магистрантов направления «Информатика и вычислительная техника»; результаты использованы в проектно-конструкторских работах ООО «ВентИндустрия Ижевск» ГП «Девятый трест», г. Ижевск.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 159 страницах машинописного текста. В работу включены 72 рисунка и 23 таблицы, список литературы содержит 92 наименования, в приложениях представлены акты об использовании результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе работы представлена классификация и проведен анализ методов измерения теплопроводности грунта.

Методы делят на лабораторные и полевые.

Лабораторные методы, предполагающие исследование образцов грунта с использованием специально сконструированных установок, позволяют определять теплофизические свойства грунта с высокой точностью и оценивать их зависимости от различных факторов (влажности, плотности и т.д.).

Полевые методы пригодны для определения теплопроводности непосредственно в естественных условиях и позволяют установить зависимость теплопроводности от глубины и времени, поэтому актуально их использование при проектных и исследовательских работах.

В зависимости от характера изменения температуры при определении теплопроводности грунта, лабораторные методы могут быть стационарными и нестационарными, а полевые - чаще нестационарными.

Стационарные методы при относительно высокой точности требуют значительного времени на проведение измерений. Нестационарные позволяют сократить время измерений. При этом они более пригодны для применения в полевых условиях, чем стационарные, так как при меньшем времени, затрачиваемом на измерения, меньше сказываются изменения внешних условий, например, температуры и влажности. При реализации нестационарных методов, как правило, проявляются более сложные тепловые процессы в объекте исследований, которые в совокупности не всегда возможно учесть. Это создает определенные проблемы при их использовании.

Анализ существующих методов и приборов, позволяющих определять теплопроводность грунта, показал, что наиболее перспективными являются зондовые варианты методов измерения. Из зондовых целесообразно развитие методов цилиндрического зонда, на основе модификации которых возможна реализация стационарного метода шара и нестационарного метода цилиндрического зонда с линейным источником тепла. При реализации зондовых методов важным фактором в улучшении метрологических характеристик аппаратуры является конструкция измерительного зонда. Применение зондовых методов требует не только высокого разрешения по измеряемой температуре на различных участках теплового режима,

но и изменение режимов в зависимости от алгоритма определения коэффициента теплопроводности. Поэтому с учетом особенностей грунта, как объекта контроля, система измерений, реализующая зондовые методы, должна иметь не только высокое разрешение, но и должна позволять адаптивно изменять режимы и энергетические параметры процесса измерений, а также вести контроль за параметрами окружающей среды. При этом в качестве датчика теплопроводности перспективно использовать измерительный зонд на основе ТПС, совмещающего функции нагревателя и датчика температуры.

В результате проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе рассматриваются вопросы разработки и исследования метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта цилиндрическим зондом на основе ТПС.

Обоснование метода неограниченного шара вытекает из преобразования формулы для реализации классического метода шара [4,9]

' <!-!.)/>

ь-2*}? • (О

Л 'а

где X, - определяемая теплопроводность материала, с11 к с12 - внутренний и наружный диаметры шара соответственно, Р - мощность нагревателя, Т, и Т2 - тем-

Т -Т

пература изотермических поверхностей шара. В этой формуле отношение ' 1

представляет собой термическое сопротивление Лт шара распространению тепла от нагревателя в радиальном направлении. Если диаметр наружной поверхности

шара считать достаточно большим (Ы2 » с/,), то слагаемым — можно пренебречь и выражение для расчета коэффициента теплопроводности приводится к виду

(2)

Для учета цилиндрической (не шаровой) конструкции зонда при определении термического сопротивления /?т может быть использована уточненная формула для цилиндра, помещенного в неограниченную среду. С учетом этой поправки формула для расчета коэффициента теплопроводности грунта принимает вид

-?---—, (3)

4тгЛтг,

0,6372 + 0,3194

г "Ч 0.76

где гх - радиус, а I - длина цилиндра.

Как видно, единственным параметром, который должен быть измерен при определении теплопроводности, является термическое сопротивление среды Дт. Из-

мерить это сопротивление в условиях, когда температура среды неизвестна, возможно, путем измерения приращения температуры ДТ на границе источника и среды при искусственно создаваемом изменении мощности АР источника (рис. 1):

Я =

дг ар'

(4)

Рис. 1. Эквивалентная схема системы источник-среда

Реализация метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта представлена на рис. 2. В работе показано, что с погрешностью, не превышающей 5 %, область измерения теплопроводности грунта в полевых условиях ограничивается диаметром с/2= 2(Ц. Если б?,=3мм, то с!}- 60мм, то есть предлагаемый метод позволяет определять теплопроводность в достаточно ограниченном объеме грунта.

Для практической реализации метода в качестве нагревателя-датчика температуры предложено использовать ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода и линейной зависимостью сопротивления от температуры.

На основе методики определения внутреннего термического сопротивления ТПС разработан алгоритм измерения теплопроводности грунта, включающий следующие действия [5].

Для получения приращений,тепловой мощности зонда последовательно устанавливается несколько значений измерительного тока /0, и для каждого из них по окончании теплового переходного процесса измеряется электрическое сопротивление ТПС. По полученным данным строится зависимость электрического сопротивления от квадрата измерительного тока, которая при относительно небольших токах (десятки миллиампер) является линейной и имеет вид Я, = А/0г + В. Используя полученные значения коэффициентов А и В, определяется общее термиче-

А

, где у - температурная чувст-

Рис. 2. Реализация метода неограниченного шара измерения теплопроводности грунта

ское сопротивление системы ТПС - среда /?то51

У В

вительность ТПС. Термическое сопротивление среды рассчитывается по формуле где термическое сопротивление ТПС, определяемое его

^ттпс

__Каркас кадушки_JDC___

8.293 R1 ^-лЛЛА-

" 8.293'

R2 1 R3 -VW-l-AV-

Г

Слой катушки 1

Спой катушки 5

Воздушный зазор

Стальная защитная трубка

Среда

т

R

.813 R36

I

,0.001 С15

112.813 " R39 —

ОС)

4|

>615.192 . R57

48.56 R74 —AV—

£ 0.043 • 9.61

иТ с

46.56 R75 —vW—'

1395.58 R728 —\лл,—

v 15.059 > R729

1395.58 R731 ,

A/W-1

J_0.033 ¿13.045Т С194

J R730J-

г8293 1 R9

■ Uw-

Т еппоприемник ТПС

8.293" R11

-J--Л\"—

0.057 ' R10

I

0.013

8.639 R20

J 0.015 ' R18

8.639

R21 ------

i 0.01зТ

■ • R28 _]_

0.012 СЮ

1.55G R60 [-VW—

О 032 ' R54

1.556 R61 —Л*/1—

■зТ <1

.071 С24

конструкцией и измеренное в нулевом термостате. Далее рассчитывается теплопроводность грунта по формулам (2) или (3).

Для проверки возможности применения метода проведено моделирование тепловых процессов на основе электротепловой аналогии в среде Micro-Cap. Для этого разработаны электрические модели ТПС и совместные модели ТПС-грунт [I, 8]. Фрагмент модели ТПС-грунт представлен на рис. 3.

Первоначально исследовались свойства ТПС в нулевом термостате. По результатам моделирования построен график зависимости электрического сопротивления ТПС от квадрата измерительного тока, представленный на рис. 4.

По коэффициентам уравнения регрессии рассчитано собственное термическое сопротивление ТПС /?ттпс=32,4 К/Вт, которое с высокой точностью совпало со значением, определенным ранее экспериментально, что подтверждает адекватность разработанной электротепловой модели.

Средствами моделирующей программы Micro-Cap рассчитана и построена частотная характеристика модуля термического сопротивления ТПС, по которой определена верхняя граница диапазона рабочих частот ТПС-0,1 Гц.

При моделировании системы датчик-среда разработаны «полные» электрические модели, включающие ячейки среды. На основе моделей получены частотные характеристики модуля об-

46 56 R80 —AV-

г 0.043 ' R70

.023 СЗО

1395.58 R774

—via-

■15.059 R775

1

£13.045T 1 R776_{_

0.033 С200

Рис. 3. Фрагмент электрической модели ТПС-грунт

50.1 50,09 50,08 50.07 50,06

50,0450.03 50,0250.01 50 49,99-

—1—1—

у = 339,71х ♦ 50

у

У

>

0,00005 0,0001

0.00015

/о, А2

0.0002 0,00025 0.0003

Рис. 4. Зависимость электрического сопротивления ТПС от квадрата измерительного тока

щего термического сопротивления ГПС-грунт.

Из характеристики для песка определено статическое значение общего термического сопротивления Лтойщ=83,7 К/Вт и рассчитано значение Я1Ш=0,273 Вт/(м-К). Также показано, что инерционность системы датчик-среда значительно выше (верхняя граничная частота составляет 0,02 Гц).

Это подтверждает возможность использования ТПС для исследования динамических тепловых процессов в грунте, так как его инерционность ниже. Аналогичным образом были проведены исследования других видов грунта с теплопроводностью X = 0,1 Вт/(м-К)и 1 = 0,7 Вт/(м-К).

По результатам исследований построена зависимость коэффициента теплопроводности, заложенного в расчеты параметров ячеек модели среды \ , от полученного при моделировании и последующем расчете по формуле (2).

Полученная линейная зависимость позволяет уточнить формулу для расчета теплопроводности. Таким образом, при проведении измерений теплопроводности грунта методом неограниченного шара с использованием датчика разработанной конструкции предлагается применять формулу с поправкой, определенной по результатам моделирования

= 0,369 0,044, Вт/(м-К). (5)

Ъ1КГ и,

Путем моделирования построено температурное поле перегрева среды (песка) (рис. 5). Видно, что вблизи ТПС изотермы температурного поля вытянуты вдоль ТПС и по мере удаления от ТПС все больше приобретают форму круга. Круговая форма изотерм на границе зоны моделирования среды позволяет судить о том, что при построении модели учтена достаточная часть пространства грунта вокруг ТПС.

Для уменьшения времени измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара, которое на моделях составило около двух часов, разработан алгоритм обработки данных, заключающийся в определении асимптоты температуры нагревателя при изменении тока /0 по данным, полученным на начальной стадии переходного процесса [6]. Для .реализации данного алгоритма разработана методика оценки уровня асимптоты температуры ТПС, основанная на предположении об экспоненциальном нарастании температуры при включении ТПС в среде с постоянной температурой. В этом случае процесс теплообмена определяется функцией

-<Ь "1-1-1-1-1-1

О 25 50 75 100 125

Рис. 5. Температурное поле грунта (координаты указаны в мм)

Т(Х) = (Т1-Т0)(\-е Х") + Г0, (6)

где Т(т) - температура ТПС в момент времени х; Т0- начальное значение температуры (температура среды); 7|- температура нагревателя в установившемся режиме; т0- показатель тепловой инерции.

Для определения асимптоты 7| найдем приращение функции на фиксированном временном интервале Дх

_т+41

ДГ(т) = (Г1-Г0)(1-е" ) + Т0—(Т1-Т0У)—е Ч)-Т0. (7)

После преобразований выражение (7) принимает вид

т т+Дт

АТ(х) = (Т1-Т0)(е~*:-е^Г). (8)

Дх

Обозначив в уравнении (8) А = Т1-Т0 и В = \-е т", получаем

г

АТ(х) = АВ • е т". (9)

Выражение (9) представляет собой спадающую до нуля экспоненту с перепадом АВ.

Логарифмируем выражение (9) и получаем линейную зависимость логарифма от времени:

т

1п(ДГ(т)) = \п{АВ) + 1п(е '») = ЩАВ) - —. (10)

•Со

Если зависимость (10) получена экспериментально, то, используя МНК, можно найти параметры 1п(Л5) и т0 и далее рассчитать А по формуле:

(И).

1-е

Используя одну точку Т(X/) функции (6), находим Т0 и далее асимптоту температуры

Г, = А+ Т0. (12)

Таким образом, алгоритм определения асимптоты температуры ТПС включает следующие действия.

1. Устанавливается измерительный ток !0.

2. Начиная с момента включения тока, через фиксированный временной интервал Дт снимаются показания Т(т) и строится зависимость !п(ДГ(т)).

3. Контролируется поведение функции 1п(ДГ(т)) и, как только она вырождается в прямую линию, то есть процесс принимает экспоненциальный (регулярный) характер, измерения завершаются.

4. Экспериментальные точки на последней части функции аппроксимируются прямой линией и расчетным путем определяются значения \п(АВ)н т0. Далее рассчитывается асимптота Г,.

Для оценки эффективности алгоритма на модели системы датчик-среда проведены машинные эксперименты при трех значениях измерительного тока /0 (2, 4, 8 мА). На рис. 6 представлен график изменения логарифма приращений температуры в зависимости от времени при измерительном токе /0=8 мА. Результаты обработки полученных данных приведены в табл. 1.

Сравнение результатов моделирования со значениями, полученными в установившемся режиме теплообмена, показывает, что погрешность в определении уровня асимптоты температуры нагревателя не превышает 6%. Также установлено, что данный алгоритм позволяет вЗ раза сократить время измерений.

Расчет коэффициента теплопроводности песка по формуле (5) с учетом поправки показал, что погрешность в определении теплопроводности составила 7,6 %.

Для экспериментального подтверждения возможности применения метода неограниченного шара в лабораторных условиях (без термостатирова-ния) производились измерения коэффициента теплопроводности песка и глины, помещенных в емкости с размерами, много превышающими размер на рис. 2. Использовались две методики.

В первом случае датчик-нагреватель без изменения положения находился в грунте, и многократно (в течение нескольких дней) производились замеры коэффициента теплопроводности.

Во втором случае каждый раз датчик-нагреватель устанавливался в грунт перед проведением и вынимался из грунта по окончании измерения.

Получены средние значения коэффициентов теплопроводности в Вт/(м-К): для песка 0,49 - в первом случае и 0,45 - во втором случае (при одинаковом СКО 0,07);

Рис. 6. График изменения логарифма приращений температуры 'ГПС в зависимости от времени

Таблица 1.

Результаты обработки данных моделей системы датчик-среда

/„, мА 1п (АВ) АВ А т„ к

2 705,22 -9,066 0,000! 0,002 0,018

4 687,68 -7,673 0.0005 0,009 0,071

8 682,54 -6,285 0,0019 0,036 0,285

для глины 0,91 (при СКО 0,07) - в первом случае и 0,70 (при СКО 0,12) - во втором случае.

Средние значения показателей соответствуют значениям, приводимым в литературе для грунтов данных типов.

Обнаружено влияние колебаний температуры среды на результат измерений, а в случае глины — влияние неоднородности ее структуры.

Для снижения влияния температуры среды время проведения экспериментов необходимо сокращать или применять метод в условиях, когда температура среды изменяется незначительно.

В третьей главе изложены результаты разработки нестационарного метода измерения теплопроводности грунта цилиндрическим зондом на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода.

В основе нестационарного метода лежит решение задачи нестационарной теплопроводности для цилиндра - идеального проводника радиусом г0 и длиной L, окруженного неограниченной средой. При т > 0 в нем выделяется количество тепла на единицу длины в единицу времени, равное qL. Начальная температура всей системы принимается одинаковой и равной нулю. Теплообмен поверхности зонда с окружающей средой подчиняется закону Ньютона (между нагревателем и средой имеется воздушный зазор).

Согласно решению тепловой задачи, полученному Блэквеллом, расчетная формула для определения коэффициента теплопроводности окружающей среды имеет вид

•^ЧпЬ

Д Т т,

(13)

а Р

где К, = —=-; Р - мощность нагревателя; АТ- перепад температуры для мо-

4 я 4

ментов времени х, и т2 на участке линейной зависимости изменения температуры от логарифма времени.

На основе приведенной теоретической модели разработана электротепловая модель идеального измерительного зонда с нагревателем в виде тонкой однородной проволоки, выполняющей одновременно функции датчика температуры рези-стивного типа, помещенного внутрь защитной трубки. Конструкция такого датчика теплопроводности показана на рис. 7.

В процессе моделирования задавалось значение --- • тепловой мощности в на-

гревателе, соответствующее Рис. 7. Конструкция датчика теплопроводности: измерительному току 40 1 - стальная трубка толщиной 0,3 мм и длиной 60мм мд зТ0 условие обеспечи-2- нагреватель диаметром 0,1 мм и длиной 40 мм; вало нагрев грунта нагрева-3-воздушный зазор толщиной 0,15 мм. телем „ течение 30 секунд

до выхода на необходимый режим работы. В режиме анализа переходных процессов определялись зависимости температуры нагревателя от логарифма времени. Для трех типов грунта (с коэффициентами теплопроводности X =0,326, 0,734, 1,128 Вг/(м-К)) выявлено наличие линейного участка этой зависимости на интервале времени от 20 до 30 секунд при нагревании мощностью 0,08 Вт, что соответствует расчетам по теоретической модели Блэквелла. Результаты определения теплопроводности грунта на моделях приведены в табл. 2.

Таблица 2. Как видно, результаты моделирования с высокой точностью совпадают со значениями теплопроводности, заложенными в моделях, что говорит, с одной стороны, об адекватности разработанной модели, а с другой - о пригодности датчика для измерения теплопроводности грунта.

С использованием модели проведено исследование влияния конструктивных особенностей зонда на погрешность измерения теплопроводности грунта. Для снижения погрешности предложено воздушный зазор между нагревателем и внутренней стенкой защитной трубки заполнять диэлектрическим материалом, например, фторопластом.

На основе электротепловой модели идеального зонда разработаны модели зонда с ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции.

Для этих двух вариантов измерительного зонда в процессе моделирования системы датчик-среда получены зависимости изменения температуры ТПС от логарифма времени с момента включения нагревателя (рис. 8).

Установлено, что на начальном участке (до точки А) закономерности изменения температуры ТПС обусловлены процессами распространения тепла в катушке нагревателя и каркасе. Этот интервал длится примерно две секунды. В дальнейшем (от точки А до точки В) в тепловой процесс включается воздушный зазор и элементы конструкции, расположенные между чувствительным элементом ТПС и грунтом. Далее во времени (начиная с точки В) теплофизические свойства грунта начинают полностью определять характер изменения температуры ТПС. На этом интервале имеется линейный участок (от точки С до точки О) зависимости

Результаты моделирования

Грунт X, Вт/(м-К) Хти, Вт/(м-К) Погрешность, %

1 0,326 0,328 0,6

2 0,734 0,747 1,8

3 1,128 1,171 3,8

6

см-------

0 1 2 3 4 5 6 7 1п(г)

Рис. 8. График изменения температуры ТПС от логарифма времени для песка

изменения температуры от логарифма времени, который может быть использован для определения теплопроводности грунта. Этот временной интервал, выбранный в качестве диагностического, находится в диапазоне от 200 до 300 секунд после включения нагревателя. В отличие от модели идеального датчика, увеличение рабочего интервала по времени свидетельствует об увеличении собственной инерционности ТПС за счет увеличения общей теплоемкости.

На основе результатов исследований разработаны измерительные зонды в виде ТПС из медного микропровода каркасной [10] и бескаркасной конструкции (рис. 9).

а) каркасная б) бескаркасная

Рис. 9. Конструкции ТПС: I - наконечник; 2 - каркас; 3 - чувствительный элемент; 4 - защитная трубка; 5 - трубка из фторопласта; 6 - изолятор; 7 — контактные площадки; 8 - выводы чувствительного элемента; 9 - выводы ТПС.

Установлено, что бескаркасная конструкция зонда несколько снижает погрешность измерений теплопроводности.

. Экспериментальные исследования нестационарного метода измерения теплопроводности грунта измерительными зондами предложенных конструкций проводились в лабораторных условиях [3]. Измерялся коэффициент теплопроводности в диапазоне 0,2...1,3 Вт/(м-К) песчаного и глиняного грунтов разной влажности.

С целью определения рабочего измерительного тока датчика проведены измерения теплопроводности песчаного грунта при различных значениях тока. По результатам экспериментов получена зависимость относительной погрешности из—

мерений, определяемой по формуле 8= _ (5(Х) - СКО; X - среднее значение

X

теплопроводности) от величины, обратной квадрату измерительного тока, которая показана на рис. 10.

в

¡3

5 1

¥= 0.002тх * 0,436 1С = п <м

Как видно, зависимость имеет примерно линейный характер и может быть представлена в

виде

5 = -+5,

* п

где

1500 2000

1К1о'1о), мА'1

Рис. 10. Зависимость относительной погрешности от измерительного тока

А = 0,0027 мА - коэффициент влияния измерительного тока; В = 0,436 - постоянная составляющая, определяемая всей совокупностью других влияющих на результат измерений факторов.

На основании полученных данных в качестве рабочего измерительного тока датчика теплопроводности выбран ток 50 мА, который обеспечивает приемлемую погрешность измерений.

Для определения верхней границы измеряемых значений коэффициента теплопроводности интерес представляет зависимость перегрева среды на рабочем временном интервале от значения теплопроводности. На рис. II перегрев показан графически в функции от удельного термического сопротивления среды р, = \/Х.

Коэффициент #=0,0763 Вт/м в уравнении регрессии представляет собой линейную плотность теплового потока, генерируемого датчиком теплопроводности. Его значение может быть использовано для теоретической оценки верхней границы диапазона измерений по К

0,35

0,3

0,25

¥

а) 0,2

а 0,15

с

0,1

0,05

0

у = 0,07 63* >1

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Удельное термическое сопротивление, м'К/Вт

Рис. 11. Зависимость перегрева грунта на рабочем участке от удельного термического сопротивления

формуле А.мв<с =

ДГ

где ДГМИ11 - минимально допустимый перегрев среды на рабочем временном интервале, определяемый, например, разрешающей способностью канала измерения температуры. В нашем случае разрешающая способность канала составляет А7,[|= 0,001 К. Задавшись допустимым уровнем погрешности измерений температуры, обусловленной разрешающей способностью, 8 = ДТ^/ДГ,,,,,, =0,04, находим А"5

\„»=~ = 3,08 Вт/(м-К). ЛГ

На рис. 12 показана экспериментально найденная зависимость относительной погрешности измерений теплопроводности грунта от значения теплопроводности.

Видно, что погрешность возрастает с теплопроводностью. Это обусловлено следующими причинами. При увеличении теплопроводности снижается перегрев среды на рабочем временном интервале, что увеличивает влияние колебаний температуры грунта, обусловленных колебаниями температуры среды.

В четвертой главе приведены материалы по разработке системы для измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара и нестационарным методом цилиндрического зонда, реализованными на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода.

Определен комплекс требований к измерительной системе для применения в полевых условиях [7]:

1) диапазон измеряемых температур: -50...+50 °С;

2) разрешающая способность: не хуже 0,001 К;

3) диапазон изменения измерительного тока зонда: 2...50 мА;

4) конструктив измерительного зонда должен позволять проникать в грунт на требуемую глубину;

5) соединение измерительного зонда со вторичной аппаратурой должно быть разъемным;

6) в измерительном блоке системы необходимо использовать микроконтроллер для получения, расшифровки и исполнения команд оператора, опроса измерительного канала и передачи полученной информации в персональный компьютер.

7) передачу данных в персональный компьютер целесообразно осуществлять по интерфейсу USB.

На основе представленных требований разработана структурная схема системы (рис. 13) и определена элементная база для ее реализации.

В измерительный канал ИИС входят ТПС, промежуточный преобразователь (ПП), нормирующий усилитель (НУ) и аналоговый фильтр (АФ). Назначением ПП является преобразование сопротивления ТПС в эквивалентное ему напряжение, которое при помощи НУ усиливается до диапазона оцифровки аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

1 1 у = 2.2669Х + 1,3275 R2 = 0,8999

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)

Рис. 12. Зависимость относительной погрешности от коэффициента теплопроводности грунта

Рис. 13. Структурная схема ИИС для измерения теплопроводности грунта

Для управления измерительным током ТПС используется первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП1). Кроме усиления сигнала НУ обеспечивает аддитивную коррекцию выходной характеристики канала с учетом отклонения начального сопротивления ТПС от номинального. Для этого в измерительный канал встроен ЦАП2. Управление ЦАП осуществляется микроконтроллером (МК); связь МК с персональным компьютером (ПК) реализована с использованием интерфейсного чипа USB.

С использованием эквивалентной схемы измерительного канала (рис. 14) исследованы его параметры и получена разрешающая способность по сопротивлению 0,0002 Ом и температуре 0,001 К (при измерительном токе ТПС 50 мА), позволяющие реализовать предлагаемые методы измерения.

Rf

R4

NVbx 1

ЦАП

— 1

UcmI

иэт _EL

Uon

NUbx?

г

R3

UHy

Ucm3

■е-

ЫЦвых,

ОУ1

Г

АЦП

ОУ2

ЦАП

2

Ucm2

■е

Uk Rl_

Рис. 14. Эквивалентная схема измерительного канала

Разработано программное обеспечение для автоматизации процедуры измерения теплопроводности грунта и взаимодействия системы с персональным компьютером [11]. На рис. 15 приведено основное окно программы для ПК.

•¿fff****"'* V JF9?"**

Файл йзмерение Цастройки (¿программе

Измерительный канал NG1 О Ток ; МА % «i-4'fc. \ Измерительный канал Смещение 1 В -V . ■ •. 0 Ток мА л^и'дагь Смещение: « нтт ж .!

' л : v : •

27.5 .........

26.5 20

25.5 i 2S ¡24,5 24 .........1........■..... : ; ! ' ' ■

22.5

0 50 1 00 150 200 250 300 35С 400 450 500 время, с 550 600

i - fk^MiüHHü: 'w. ■■•■ • v о Логарифмическая шкала j

Off-Line 0 1 канал: Off-Line 2 канал: Off-Line

Рис. 15. Основное окно программы для ПК

С использованием разработанной системы проведены эксперименты по измерению теплопроводности грунта нестационарным методом цилиндрического зонда в полевых условиях. В табл. 3 приведены результаты одной из серий экспериментов. Датчик располагался на глубине 14 см от поверхности.

Эксперименты по измерению теплопроводности грунта показали, что в более глубоких слоях грунта теплопроводность больше, что вызвано большей влажностью грунта на глубине.

С увеличением влажности грунта наблюдается увеличение погрешности измерений, так как значение теплопроводности приближается к верхней границе измеряемых значений. При Хизм=2,42 Вт/(м-К) величина перегрева, как показывает эксперимент, составляет 0,02 К, что недостаточно для получения приемлемой точности измерений при достигнутой разрешающей способности системы. Поэтому для снижения погрешности в этом случае необходимо снижать термическое сопротивление зонда и увеличивать мощность, подводимую нагревателю. Оба варианта снижения погрешности не представляют принципиальных затруднений при технической реализации.

Таблица 3 Для сравнения метода неограниченного шара и нестационарного метода проведены эксперименты по измерению теплопроводности влажного песка.

При измерении методом неограниченного шара получена зависимость электрического сопротивления ТПС от квадрата измерительного .тока. По описанной выше методике определены /гтобш=52,773 К/Вт, /?т=16,984 К/Вт и ==0,833 Вт/(м-К). По полученной в ходе даццого эксперимента термограмме для измерительного тока /„=40 мА на интервале времени от 200 до 300 секунд проведена обработка данных нестационарным методом цилиндрического зонда. В результате расчетов коэффициента теплопроводности по формуле (13) определено значение =0,850 Вт/(м-К). Как видно, расхождение результатов составляет 2 %. Последующие эксперименты по измерению теплопроводности песка подтвердили работоспособность предложенных методов и показали совпадение результатов измерений в'пре-делах допустимой погрешности.

Разработанный метод неограниченного шара с использованием алгоритма обработки данных на начальной стадии переходного процесса и нестационарный метод на основе линейного источника тепла пригодны для измерения теплопроводности грунта в полевых условиях. Оба разработанных метода реализуются измерительным зондом цилиндрической конструкции на основе ТПС из медного микропровода, выполняющего одновременно функции нагревателя и датчика температуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложено научное обоснование технических и методических решений при разработке зондовых методов измерения теплопроводности грунта на основе термопреобразователей сопротивления цилиндрической конструкции с чувствительным элементом из медного микропровода.

1. Анализ существующих методов и средств измерения теплопроводности веществ и материалов показал необходимость разработки более совершенных зондовых методов и устройств на их основе для определения теплопроводности грун-

Результаты измерений теплопроводности грунта

№ изм. Хти, Вт/(м-К)

1 1,12

2 1,10

3 1,24

4 1,12

5 1,33

6 1,07

7 1,10

8 1,21

9 1,11

10 1,23

Среднее 1,16

СКО 0,08

СКО/Среднее, % 7,06

та в реальных (полевых) условиях. За основу взяты метод шара и метод линейного источника тепла.

2. Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность реализации метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта зондом цилиндрической конструкции на основе ТПС. Разработаны и использованы для исследования метода неограниченного шара модели ТПС и модели системы датчик-среда с использованием электротепловой аналогии.

С помощью разработанных моделей определены как собственные параметры ТПС, так и основные закономерности теплообмена, позволившие разработать новый алгоритм для измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара и алгоритм обработки данных, основанный на определении асимптоты температуры ТПС, сокращающий время измерения.

Измерения теплопроводности грунта в лабораторных условиях методом неограниченного шара с использованием зонда цилиндрической конструкции подтвердили его эффективность.

3. Предложена модификация нестационарного метода линейного источника тепла на основе ТПС из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции. Разработаны и исследованы модели измерительного зонда на основе электротепловой аналогии.

С использованием моделей проведено исследование влияния конструктивных особенностей зонда на погрешность измерения коэффициента теплопроводности грунта. Установлено влияние значения теплопроводности на погрешность ее измерения за счет снижения перегрева среды на рабочем временном интервале, что увеличивает влияние колебаний температуры фунта, обусловленных колебаниями температуры среды. Определена верхняя граница измеряемых значений теплопроводности грунта (3,08 Вт/(м-К)) при необходимой разрешающей способности измерительной аппаратуры (0,001 К).

Экспериментально подтверждена возможность использования нестационарного метода с датчиком теплопроводности на основе ТПС для измерения коэффициента теплопроводности грунта. Время одного измерения составляет 5 минут, при этом достигается погрешность измерений не более 7%.

4. Определен комплекс требований к измерительной системе на основе ТПС для определения теплопроводности грунта в полевых условиях, с учетом которых разработана структурная схема и определен состав функциональных блоков системы. При реализации макета системы с использованием современной элементной базы получены разрешающая способность по сопротивлению 0,0002 Ом и по температуре 0,001 К при измерительном токе зонда 50 мА. Экспериментально подтверждена работоспособность измерительной системы и возможность ее применения для определения теплопроводности грунта в полевых условиях. Для снижения погрешности измерений разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции измерительного зонда и режимов работы системы.

5. Проведены сравнительные эксперименты по измерению теплопроводности песка методом неограниченного шара и нестационарным методом цилиндрического зонда на основе ТПС. Оба метода реализованы на основе одного измерительного зонда с использованием ТПС цилиндрической конструкции из медного микропровода. Одновременная реализация методов позволяет проводить обработку результатов измерений, используя алгоритмы метода неограниченного шара и нестационарного метода цилиндрического зонда, что повышает достоверность измерений.

6. Результаты диссертационной работы в виде макета системы используются на кафедре «Вычислительная техника» ИжГТУ в научной и учебной деятельности бакалавров и магистрантов направления «Информатика и вычислительная техника»; результаты использованы в проектно-конструкторских работах ООО «Венг Индустрия Ижевск» ГП «Девятый трест», г. Ижевск, что подтверждено актами.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах, рекомендованных ВАК

1. Сяктерева В. В. Электротепловое моделирование системы «датчик-среда» при измерении теплопроводности фунта / В. В. Сяктерева, А. А. Зылёв, В. А Куликов // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2009. -№ 2 (42). - С. 115-119.

2. Куликов, В. А. Динамические измерения теплопроводности фунта с применением линейного нафевателя-датчика температуры / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева // Вестник Ижевского государственного технического университета. -2011. -№ 2 (50). -С. 137-140.

3. Куликов, В. А. Экспериментальные исследования информационно-измерительной системы для измерения теплопроводности фунта / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева, К. А. Никитин // Интеллектуальные системы в производстве. - 2011.-№ 1 (17). -С. 191-196.

В других изданиях

4. Сяктерева, В. В. Измерение коэффициента теплопроводности фунта методом неофаниченного шара / В. В. Сяктерева, А А. Зылёв, К. С. Третьяков, В. А. Куликов // Информационные системы в промышленности и образовании: сб. научн. тр. - Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2008. - С. 134-140.

5. Зылев, А. А. Моделирование алгоритма измерения теплопроводности фунта на основе электротепловой аналогии / А А Зылёв, В. В. Сяктерева, В. А Куликов // Информационные технологии в промышленности и образовании: сб. трудов научн.-техн. конференции факультета «Информатика и вычислительная техника», посвященной 50-летию кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ (25 апреля 2009 г.). - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2009. - С. 265270.

/

6. Никитин, К. А. Алгоритм обработки данных при измерении теплопроводности грунта методом неограниченного шара / К. А. Никитин, В. В. Сяктерева, В. А. Куликов // Информационные технологии в науке, промышленности и образовании: сборник трудов научно-технической конференции факультета «Информатика и вычислительная техника» ИжГТУ (24 апреля 2010 г.). -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. - С. 195-200.

7. Куликов, В. А. Информационно-измерительная система для исследования термопреобразователей сопротивления высокого разрешения / В. А. Куликов, К. А. Никитин, В. В. Сяктерева // Электронные устройства и системы: межвузовский научный сборник. - Уфа: УГАТУ, 2010. - С. 56-60.

8. Сяктерева, В.В. Совместное моделирование тепловых и электрических процессов в термопреобразователях на основе электротепловой аналогии / В.В. Сяктерева, В.А. Куликов II Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2010. Том 3. Технические науки: сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. - Одесса: Изд-во Черноморье, 2010. - С. 57-59.

9. Сяктерева, В. В. Метод неограниченного шара для измерения теплопроводности фунта в полевых условиях / В. В. Сяктерева, В. А. Куликов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тезисы докладов 17 международной науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (24-25 февраля 2011 г.). Том 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - С. 475-476.

10. Патент на полезную модель № 105442 (Россия), МПК С01К7/16 / Термопреобразователь сопротивления / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева. Заяв. 12.01.2011. - № 2011101194/28 (Россия); Опубл. - 10.06.2011. - Бюл. № 16.

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613302 от 27.04.2011 / Программа управления измерениями теплопроводности грунта / К. А. Никитин, В. В. Сяктерева; Опубл. - 20.09.2011. -Бюл. 3 (76).

'Подписанов печать08; 11.2011. Усл.печ. л. 1,4. Заказ№358.Тираж 100экз. Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, Ижевск, Студенческая, 7

В авторской редакции

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГРУНТА.

1.1. Классификация методов измерения теплопроводности грунта.

1.2. Стационарные методы измерения теплопроводности грунта.

1.3. Нестационарные методы измерения теплопроводности грунта.

1.3.1. Метод регулярного теплового режима.

1.3.2. Метод квазистационарного теплового режима.

1.3.3. Метод монотонного теплового режима.

1.3.4. Комплексные методы.

1.3.4.1. Метод плоского зонда.

1.3.4.2. Метод шарового зонда постоянной мощности.

1.3.4.3. Метод цилиндрического зонда.

1.4. Приборы для измерения теплофизических параметров.

1.5. Постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОД НЕОГРАНИЧЕННОГО ШАРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГРУНТА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ.

2.1. Теоретическое обоснование метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта с применением термопреобразователя сопротивления.

2.2. Электротепловое моделирование процесса измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара.

2.3. Разработка алгоритма обработки данных при измерении теплопроводности грунта методом неограниченного шара.

2.4. Экспериментальная проверка возможности применения метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГРУНТА ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ СОПРОТИВЛЕНИЯ.

3.1. Обоснование нестационарного метода измерения теплопроводности грунта.

3.2. Разработка модели цилиндрического зонда для измерения теплопроводности грунта.

3.3. Исследование зонда с ТПС на основе медного микропровода каркасной конструкции.

3.4. Исследование зонда с ТПС на основе медного микропровода бескаркасной конструкции.

3.5. Экспериментальные исследования нестационарного метода измерения теплопроводности грунта цилиндрическим зондом на основе

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДОСТИ ГРУНТА.

4.1. Обоснование требований к информационно-измерительной системе для измерения теплопроводности грунта в полевых условиях.

4.2. Структурная схема информационно-измерительной системы.

4.3. Измерительный канал ИИС.

4.4. Идентификация и исследование параметров измерительного канала ИИС.

4.5. Программное обеспечение ИИС.

4.6. Экспериментальные исследования ИИС при измерении теплопроводности грунта в полевых условиях.

Выводы по главе 4.

Потребность в измерении теплофизических параметров (ТФП) веществ и материалов в настоящее время существует во многих областях науки и техники. Достоверные данные о ТФП грунта необходимы и важны для приоритетных направлений, связанных с проблемами энергосбережения, в строительстве объектов различного назначения, в нефтегазовой промышленности и т.д. Для перечисленных областей актуально знание ТФП грунта в реальных (полевых) условиях, так как некорректный их выбор при проектных расчетах может привести к снижению работоспособности и к возникновению аварийных ситуаций при эксплуатации сооружений.

Выпускаемые современные приборы российского и иностранного производства, в большинстве случаев предназначены для измерения ТФП твердых материалов и ориентированы на исследование тепловых свойств на образцах определенных размеров и формы. Применительно к измерению ТФП грунта это означает, что большинство приборов предназначены для использования в лабораторных условиях [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].

Задача определения ТФП грунта имеет специфические особенности в связи с тем, что структура грунта отличается от структуры сплошного твердого тела. Во многих случаях необходимо знание ТФП грунта не в одной точке, а, например, на разной глубине от поверхности, а также в зависимости от времени и параметров окружающей среды.

Для решения этой задачи из всего многообразия существующих методов измерения ТФП веществ и материалов перспективно использование зондовых методов, основы теории которых изложены в работах A.B. Лыкова, А.Ф. Чуд-новского, М.А. Каганова, Л.Ф. Янкелева, Г.М. Волохова, В.П. Козлова, I.H. Blackwell и др. Специфика этих методов состоит в том, что они основаны на решениях задач теплопроводности о действии источника (зонда) постоянной мощности или импульсного источника тепла в неограниченной среде. При этом конструкция зонда может иметь свои особенности, определяемые предметом исследования. Для исследования ТФП грунта и почв находят применение зонды плоской, цилиндрической и сферической конструкции [1, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. Наличие в зондах раздельных нагревателей и датчиков температуры усложняет их конструкцию, особенно при использовании в полевых условиях.

Исключить этот недостаток возможно за счет совмещения в одном элементе зонда функций нагревателя и датчика температуры, например, применяя термопреобразователь сопротивления (ТПС). В этом случае ток нагрева зонда одновременно будет являться измерительным током ТПС. Увеличение тока нагрева повышает мощность нагревателя и точность измерения температуры вследствие возрастания чувствительности ТПС.

При измерении в полевых условиях необходимо снижать время измерений для уменьшения влияния параметров окружающей среды. При этом возникает необходимость повышения разрешающей способности аппаратуры по измеряемой температуре и увеличения быстродействия метода. Поэтому разработка и совершенствование зондовых методов для измерения теплопроводности грунта является актуальной задачей.

Таким образом, целью данной работы является разработка зондовых методов на основе термопреобразователей сопротивления, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышение быстродействия при измерении теплопроводности грунта в полевых условиях.

Объектом исследования являются зондовые методы измерения теплопроводности грунта на основе термопреобразователей сопротивления цилиндрической конструкции с чувствительным элементом из медного микропровода.

Предмет исследования - информационное, методическое и аппаратное обеспечение измерений теплопроводности грунта.

Методами исследования являются методы стационарной и нестационарной теплопроводности, математическое моделирование на основе компьютерных электрических моделей, методы аналогий, теории погрешностей, статистические и экспериментальные методы. В процессе исследований, при обработке и оформлении результатов использованы компьютерные программы Micro-Cap, Mathcad, язык программирования С++ и приложения Microsoft Office.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждаются корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов методами математического моделирования и экспериментами, воспроизводимостью экспериментальных результатов и использованием при экспериментальных исследованиях аттестованных средств измерений, многократным измерением с использованием эталонных образцов, оценками погрешностей исследований.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность реализации метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта зондом цилиндрической конструкции на основе ТПС;

- разработана электротепловая модель системы датчик-среда, на основе которой разработан алгоритм измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара;

- разработан алгоритм обработки данных, основанный на определении асимптоты температуры ТПС, позволяющий сократить время измерений теплопроводности методом неограниченного шара;

- предложена модификация нестационарного метода линейного источника тепла на основе ТПС из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции; разработаны и исследованы модели измерительного зонда;

- путем компьютерного моделирования и экспериментально подтверждена возможность реализации нестационарного метода цилиндрического зонда на основе ТПС из медного микропровода для измерения коэффициента теплопроводности грунта;

- обоснованы требования к системе измерения теплопроводности грунта в полевых условиях для реализации стационарного и нестационарного методов цилиндрического зонда на основе ТПС.

Практическая значимость работы заключается в разработке измерительных зондов цилиндрической конструкции на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода и методик измерения теплопроводности грунта по методу неограниченного шара и нестационарному методу цилиндрического зонда в полевых и лабораторных условиях, в разработке измерительной системы с улучшенными метрологическими характеристиками и программного обеспечения для реализации методов измерений с использованием современных средств вычислительной техники.

В первой главе диссертационной работы приведена классификация и проведен анализ методов измерения теплопроводности грунта. Установлено, что для определения теплопроводности грунта наиболее перспективными являются зондовые варианты методов измерения.

Из зондовых методов целесообразно развитие методов цилиндрического зонда, на основе модификации которых возможна реализация стационарного метода шара и нестационарного метода цилиндрического зонда с линейным источником тепла. Показано, что при реализации зондовых методов важным фактором в улучшении метрологических характеристик аппаратуры является конструкция измерительного зонда, которая, в первую очередь, определяет систематические погрешности в измерении. Кроме того, применение зондовых методов требует не только высокого разрешения по измеряемой температуре на различных участках теплового режима, но и изменение режимов в зависимости от алгоритма определения коэффициента теплопроводности. Поэтому с учетом особенностей грунта, как объекта контроля, система измерений, реализующая зондовые методы, должна иметь не только высокое разрешение, но и должна позволять адаптивно изменять режимы и энергетические параметры процесса измерений, а также вести контроль за параметрами окружающей среды. При этом в качестве датчика теплопроводности перспективно использовать измерительный зонд с использованием ТПС, совмещающего функции нагревателя и датчика температуры.

На основе проведенного анализа в заключение главы поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта цилиндрическим зондом на основе ТПС.

Приведено теоретическое обоснование метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта с применением ТПС цилиндрической конструкции. Показано, что предлагаемый метод позволяет определять коэффициент теплопроводности в достаточно ограниченном объеме материала грунта. Это гарантирует быстрое установление стационарного режима при проведении измерений и исключает влияние расположенных в грунте каких-либо объектов и конструкций.

Для реализации метода предложено использовать ТПС с линейной характеристикой на основе медного микропровода. С использованием такого ТПС разработан алгоритм измерения теплопроводности грунта.

Для проверки возможности применения метода неограниченного шара использован метод моделирования тепловых процессов на основе электротепловой аналогии. Для этого разработаны электрические модели как самого ТПС, так и совместные модели ТПС-грунт. По результатам моделирования определены собственное термическое сопротивление ТПС и его динамические характеристики. Показано, что инерционность системы ТПС-грунт значительно выше, чем собственная инерционность ТПС. Это подтверждает возможность использования ТПС предлагаемой конструкции для исследования динамических тепловых процессов в грунте.

На основе моделирования получена линейная зависимость коэффициента теплопроводности, заложенного в расчеты параметров ячеек модели среды, от коэффициента теплопроводности, полученного при моделировании, позволяющая уточнить формулу для расчета. Показана возможность определения коэффициента теплопроводности грунта методом неограниченного шара с использованием ТПС цилиндрической (не шаровой) конструкции.

Для уменьшения времени измерений разработан алгоритм обработки данных, обеспечивающий оперативное измерение теплопроводности грунта с допустимой погрешностью. Сущность алгоритма состоит в определении асимптоты температуры нагревателя по данным, полученным на начальной стадии переходного процесса. Сравнение результатов моделирования с использованием разработанного алгоритма со значениями, полученными в установившемся режиме, показывает, что погрешность в определении теплопроводности не превышает допустимого значения при сокращении времени измерений в три раза.

Для экспериментального подтверждения возможности применения метода неограниченного шара проведены измерения коэффициента теплопроводности песка и глины в лабораторных условиях. По результатам измерений установлено, что измеренные значения коэффициентов теплопроводности песка и глины находятся в пределах диапазонов, приводимых в литературе, что подтверждает эффективность разработанного метода и использованных технических средств как измерительных.

В третьей главе изложены результаты разработки нестационарного метода определения теплопроводности грунта цилиндрическим зондом на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода.

Для обоснования конструкции измерительного зонда на основе метода с линейным источником тепла разработана электротепловая модель идеального измерительного зонда с нагревателем в виде тонкой однородной проволоки, выполняющей одновременно функции датчика температуры резистивного типа, помещенного внутрь защитной трубки. В процессе моделирования в среде Micro-Cap установлена адекватность разработанной модели теоретической.

С использованием разработанной модели проведено исследование влияния конструктивных особенностей зонда на погрешность определения теплопроводности грунта.

Для снижения погрешности предложено воздушный зазор между нагревателем и внутренней стенкой защитной трубки заполнять диэлектрическим материалом, в частности фторопластом.

На основе электротепловой модели идеального зонда разработаны модели зонда с ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции.

На основе результатов исследований разработаны измерительные зонды в виде ТПС из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции.

Установлено, что бескаркасная конструкция зонда несколько снижает погрешность измерений теплопроводности.

На основе экспериментальных исследований нестационарного метода измерения теплопроводности грунта зондами разработанных конструкций определены рабочий измерительный ток датчика теплопроводности и верхняя граница измеряемых значений.

Установлено, что погрешность возрастает с увеличением коэффициента теплопроводности грунта. Это может быть обусловлено следующими причинами. При увеличении теплопроводности снижается перегрев среды на рабочем временном интервале, что усиливает влияние колебаний температуры грунта, обусловленных колебаниями температуры среды, на результат измерений.

В четвертой главе приведены материалы по разработке системы для измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара и нестационарным методом цилиндрического зонда, реализованными на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода.

На основе определенных требований разработана структурная схема системы и определена элементная база для ее реализации. Разработана базовая схема измерительного канала и определены требования к выбору номиналов элементов. Проведено исследование параметров измерительного канала. Получена разрешающая способность по сопротивлению 0,0002 Ом и по температуре 0,001 К при измерительном токе ТПС 50 мА. Разработано программное обеспечение для автоматизации процедуры измерения теплопроводности грунта и взаимодействия системы с персональным компьютером.

Проведены экспериментальные исследования и подтверждена работоспособность измерительной системы с цилиндрическим зондом на основе ТПС с чувствительным элементом из медного микропровода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зондом цилиндрической конструкции с совмещенными нагревателем и датчиком температуры в виде термопреобразователя сопротивления возможно измерение теплопроводности грунта путем измерения термического сопротивления системы зонд-грунт, последующего выделения термического сопротивления грунта и расчета значения теплопроводности. Применение алгоритма обработки данных, основанного на определении асимптоты температуры ТПС, позволяет сократить время измерений до 3 раз.

2. Совмещение функций нагревателя и измерителя температуры в одном элементе зонда упрощает его конструкцию, повышает чувствительность по измеряемой температуре и позволяет снизить необходимый уровень нагревания грунта и энергозатраты на проведение измерений в полевых условиях.

3. По динамике температуры нагревателя цилиндрического зонда возможно определять теплопроводность грунта при условии, что инерционность зонда ниже инерционности грунта, вовлекаемого в измерения. Для уменьшения времени измерений необходимо уменьшать тепловую инерционность цилиндрического зонда.

4. Предложенные электротепловые модели цилиндрического зонда каркасной и бескаркасной конструкции и системы зонд-среда пригодны для исследования тепловых процессов при измерении теплопроводности грунта. Разработанные цилиндрические зонды и информационно-измерительная система пригодны для измерения теплопроводности грунта статическим методом неограниченного шара и динамическим методом линейного нагревателя в полевых условиях.

Результаты диссертационной работы в виде макета системы используются на кафедре «Вычислительная техника» ИжГТУ в научной и учебной деятельности бакалавров и магистрантов направления «Информатика и вычислительная техника»; результаты использованы в проектно-конструкторских работах ООО «ВентИндустрия Ижевск» ГП «Девятый трест», г. Ижевск.

Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 9 работах: из них три работы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, остальные - в журналах, сборниках научных трудов и материалов конференций. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа управления измерениями теплопроводности грунта». По результатам исследований подана заявка в Роспатент № 2011101194 и получен патент на полезную модель № 105442 «Термопреобразователь сопротивления».

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ за помощь и поддержку, оказанные при проведении исследований, научному руководителю, заведующему кафедрой «Вычислительная техника» ИжГТУ д.т.н., профессору В. А. Куликову за общее руководство работой, помощь в постановке научных задач, критику и ценные замечания и рекомендации.

Выводы по главе 4

1. Определен комплекс требований к ИИС для определения теплопроводности грунта в полевых условиях, с учетом которых разработана структурная схема ИИС. Основными функциональными узлами ИИС являются измерительный канал, включающий измерительный зонд, промежуточный преобразователь, нормирующий усилитель, аналоговый фильтр, аналого-цифровой преобразователь и устройство управления на основе микроконтроллера с RISC архитектурой, интерфейсный модуль и цифроаналоговые преобразователи для организации обратной связи.

2. Измерительный зонд ИИС выполнен на основе ТПС цилиндрической конструкции из медного микропровода, который одновременно выполняет функции нагревателя и датчика температуры. Конструктивное исполнение зонда позволяет определять распределение коэффициента теплопроводности по глубине грунта.

3. Использование современной элементной базы позволило получить разрешающую способность ИИС по сопротивлению 0,0002 Ом и по температуре 0,001 К при измерительном токе зонда 50 мА.

4. Введение обратной связи в ИИС на основе ЦАП позволяет просто вводить коррекцию аддитивной погрешности в измерительный канал, возникающей за счет отклонения номинального значения сопротивления ТПС измерительного зонда.

5. Экспериментально подтверждена работоспособность измерительной системы и возможность ее применения для определения теплопроводности грунта в полевых условиях. Для снижения погрешности измерений разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции измерительного зонда и режимов работы системы.

6. Проведены сравнительные эксперименты по измерению теплопроводности песка методом неограниченного шара и нестационарным методом цилиндрического зонда на основе ТПС. Одновременная реализация методов позволяет проводить обработку результатов измерений, используя алгоритмы метода неограниченного шара и нестационарного метода цилиндрического зонда, что повышает достоверность измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложено научное обоснование технических и методических решений при разработке зондовых методов измерения теплопроводности грунта на основе термопреобразователей сопротивления цилиндрической конструкции с чувствительным элементом из медного микропровода.

1. Анализ существующих методов и средств измерения теплопроводности веществ и материалов показал необходимость разработки более совершенных зондовых методов и устройств на их основе для определения теплопроводности грунта в реальных (полевых) условиях. За основу взяты метод шара и метод линейного источника тепла.

2. Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность реализации метода неограниченного шара для измерения теплопроводности грунта зондом цилиндрической конструкции на основе ТПС. Разработаны и использованы для исследования метода неограниченного шара модели ТПС и модели системы датчик-среда с использованием электротепловой аналогии.

С помощью разработанных моделей определены как собственные параметры ТПС, так и основные закономерности теплообмена, позволившие разработать новый алгоритм для измерения теплопроводности грунта методом неограниченного шара и алгоритм обработки данных, основанный на определении асимптоты температуры ТПС, сокращающий время измерения.

Измерения теплопроводности грунта в лабораторных условиях методом неограниченного шара с использованием зонда цилиндрической конструкции подтвердили его эффективность.

3. Предложена модификация нестационарного метода линейного источника тепла на основе ТПС из медного микропровода каркасной и бескаркасной конструкции. Разработаны и исследованы модели измерительного зонда на основе электротепловой аналогии.

С использованием моделей проведено исследование влияния конструктивных особенностей зонда на погрешность измерения коэффициента теплопроводности грунта. Установлено влияние значения теплопроводности на погрешность ее измерения за счет снижения перегрева среды на рабочем временном интервале, что увеличивает влияние колебаний температуры грунта, обусловленных колебаниями температуры среды. Определена верхняя граница измеряемых значений теплопроводности грунта (3,08 Вт/(м-К)) при необходимой разрешающей способности измерительной аппаратуры (0,001 К).

Экспериментально подтверждена возможность использования нестационарного метода с датчиком теплопроводности на основе ТПС для измерения коэффициента теплопроводности грунта. Время одного измерения составляет 5 минут, при этом достигается погрешность измерений не более 7%.

4. Определен комплекс требований к измерительной системе на основе ТПС для определения теплопроводности грунта в полевых условиях, с учетом которых разработана структурная схема и определен состав функциональных блоков системы. При реализации макета системы с использованием современной элементной базы получены разрешающая способность по сопротивлению 0,0002 Ом и по температуре 0,001 К при измерительном токе зонда 50 мА. Экспериментально подтверждена работоспособность измерительной системы и возможность ее применения для определения теплопроводности грунта в полевых условиях. Для снижения погрешности измерений разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции измерительного зонда и режимов работы системы.

5. Проведены сравнительные эксперименты по измерению теплопроводности песка методом неограниченного шара и нестационарным методом цилиндрического зонда на основе ТПС. Оба метода реализованы на основе одного измерительного зонда с использованием ТПС цилиндрической конструкции из медного микропровода. Одновременная реализация методов позволяет проводить обработку результатов измерений, используя алгоритмы метода неограниченного шара и нестационарного метода цилиндрического зонда, что повышает достоверность измерений.

6. Результаты диссертационной работы в виде макета системы используются на кафедре «Вычислительная техника» ИжГТУ в научной и учебной деятельности бакалавров и магистрантов направления «Информатика и вычислительная техника»; результаты использованы в проектно-конструкторских работах ООО «ВентИндустрия Ижевск» ГП «Девятый трест», г. Ижевск, что подтверждено актами.

1. Нерпин, С. В. Физика почвы / С. В. Нерпин, А. Ф. Чудновский. - М. : Наука, 1967.-584 с.

2. Осипова, В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М. : Энергия, 1969. - 392 с.

3. Фокин, В. М. Неразрушающий контроль теплофизических характеристик строительных материалов / В. М. Фокин, В. Н. Чернышов. М. : Машиностроение-1, 2004. - 137 с.

4. Буравой, С. Е. Теплофизические приборы / С. Е. Буравой, В. В. Куре-пин, Е. С. Платунов // Инженерно-физический журнал. 1976. - Т. 30.- № 4. С. 742-757.

5. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / под ред. А. В. Лыкова. М. : Энергия, 1973. - 336 с.

6. Никоненко, В. А. Отечественные приборы в энергоаудите / В. А. Нико-неко, В. А. Шелудков // Датчики и системы. 2010. - № 9. - С. 23-27.

7. Полянский, М. А. Приборы и оборудование производства ОАО «НПП «Эталон» для теплофизических измерений // Датчики и системы. -2010. -№ 9. -С. 35-37.

8. ГОСТ 30256-94. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом. (Введ. 1996-01-01).- М. : Изд-во стандартов, 1996. 20 с.

9. Blackwell, J. Н. A transient-flow method for determination of thermal constants of insulating materials in bulk 11 J. Appl. Phys. 1954. - V. 25. - P. 137-144.

10. Новиков, С. В. Тепловые свойства терригенных коллекторов и насыщенных флюидов: автореф. дис. . канд. техн. наук. Москва, 2009. -26 с.

11. Bristow, К. A small- multi-needle probe for measuring soil thermal properties, water content and electrical conductivity / K. Bristow, G. Kluitenberg,

12. С. Goding, T. Fitzgerald // Computers and Electronics in Agriculture. -2001.-V. 31.-P. 265-280.

13. Bristow, K. Comparison of single and dual probes for measuring soil thermal properties with transient heating / К. Bristow, D. White, G. Kluitenberg // Australian Journal of Soil Research. 2001. - V. 32. - P. 447^164.

14. Bruijn, P. An Improved Nonsteady-State Probe Method for Measurements in Granular Materials. Part 1: Theory / P. Bruijn, A. Van Haneghem, J. Schenk // High Temperatures. High Pressures. 1983. - V. 15. - № 4. - P. 359-366.

15. Milun, S. Measurement of soil thermal properties by spherical probe / S. Milun, T. Kilic, O. Bego // Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on. 2005. - V. 54. - P. 1219-1226.

16. Вадюнина, А. Ф. Методы исследования физических свойств почв / А. Ф. Вадюнина, 3. А. Корчагина. М. : Агропромиздат, 1986. - 416 с.

17. Осипова, В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М. : «Энергия», 1979. - 319 с.

18. Аметистов, Е. В. Основы теории теплообмена / Е. В. Аметоистов, Г. Я. Соколов, Е. С. Платунов. М. : Издательство МЭИ, 2000. - 242 с.

19. Гаврильев, Р. И. Определение теплофизических характеристик мерзлых грунтов расчетным методом / Р. И. Гаврильев, Г. П. Кузьмин // Наука и образование. 2009. - № 4. - С. 51-54.

20. Лыков, А. В. Теория теплопроводности. М. : Высшая школа, 1967. -599 с.

21. Беляев, Н. М. Методы теории теплопроводности: в 2 ч. / Н. М. Беляев, А. А. Рядно. М. : Высшая школа, 1982. - 671 с.

22. Tzeng, J. Technical review on thermal conductivity measurement techniques forthin thermal interfaces / J. Tzeng, W. Weber, W. Krassowski // Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium. -2000. V. 16.-P. 174-181.

23. Шашков, А. Г. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / А. Г. Шашков, Г. М. Волохов, Т. М. Абраменко. М. : Энергия, 1973. - 336 с.

24. Бойков, Г. 77. Определение теплофизических свойств строительных материалов / Г. П. Бойков, Ю. В. Видин, В. М. Фокин. Красноярск: Изд-во Красноярского университета, 1992. - 172 с.

25. Лыков, А. В. Тепломассообмен: Справочник. М. : Энергия, 1978. -479 с.

26. Гурьев, М. Е. Тепловые измерения в строительной теплофизике. Киев: Высшая школа, 1976. - 128 с.

27. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М. : Энергия, 1975. - 488 с.

28. Приборы для измерения температуры контактным способом / под ред. Р. В. Бычковского. Львов: Вища школа, 1978. - 208 с.

29. Теория тепломассообмена / под ред. А. И. Леонтьева. М. : Высшая школа, 1979. - 567 с.

30. ГОСТ 7076-99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. (Введ. 2000-01-04). М. : Изд-во стандартов, 2000.-27 с.

31. Платунов, Е. С. Теплофизические измерения и приборы / Е. С. Плату-нов, С. Е. Буравой, В. В. Курепин и др.; под ред. Е. С. Платунова. Л. : Машиностроение, 1986. -256 с.

32. Кондратьев, Г. М. Тепловые измерения. Л. : Ленинградское отделение Машгиза, 1957. - 244 с.

33. Вавилов, В. 77. Тепловые методы неразрушающего контроля. Справочник. М. : Машиностроение, 1991. - 240 с.

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

35. Власов, В. В. Автоматические устройства для определения теплофизи-ческих характеристик твердых материалов. М. : Машиностроение, 1977.- 168 с.

36. Филиппов, П. И. Методы определения теплофизических свойств твердых тел / П. И. Филиппов, А. М. Тимофеев. Новосибирск: Наука, 1976. - 104 с.

37. Осипова, М. Н. Комплексное определение температурной зависимости теплофизических свойств веществ / М. Н. Осипова, В. А. Осипова // Теплоэнергетика.- 1971.- №6.- С. 84- 85.

38. Чернышова, Т. И. Методы и средства контроля теплофизических свойств материалов / Т. И. Чернышова, В. Н. Чернышов. М. : Издательство "Машиностроение", 2001. - 240 с.

39. Дульнев, Г. Н. Комплекс методик, программ и аппаратуры для автоматизации теплофизических исследований / Г. Н. Дульнев, Г. Н. Лукьянов // Инженерно-физический журнал. 1981. - Т. 40. -№ 4. - С. 717.

40. Фокин, В. М. Научно-методологические основы определения теплофизических свойств материалов методом неразрушающего контроля. -М. : Издательство "Машиностроение-1", 2003. 140 с.

41. Кошкин, В. К. Нестационарный теплообмен / В. К. Кошкин, Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер и др. М. : Машиностроение, 1973. - 328 с.

42. Ярышев, Н. А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. 2-е изд., перераб. - JI. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990.-256 с.

43. Васильев, Л. Л. Теплофизические свойства плохих проводников тепла / JT. JI. Васильев, Ю. Е. Фрайман. Минск: Наука и техника, 1967. -172 с.

44. Курепин, В. В. Приборы для исследования температуропроводности и теплоемкости в режиме монотонного разогрева / В. В. Курепин, Е. С. Платунов // Изв. вузов. Приборостроение. 1966. - Т. 9. - С. 127-130.

45. Чеховский, В. Я. Установка для измерения тепло- и температуропроводности твердых материалов / В. Я. Чеховский, Ю. В. Беляев, P.A. Вавилов // Инженерно-физический журнал. 1972. - Т. 22. - № 6. - С. 1049.

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

47. Новые исследования в термометрии // Сб. ст. НПО "Термоприбор". -Львов: Вища школа, 1974. 180 с.

48. Теплофизические свойства веществ / под ред. Н. Б. Варгафтика. Л. : Госэнергоиздат, 1956. - 367 с.

49. Пехович, А. И. Расчеты теплового режима твердых тел / А. И. Пехо-вич, В. М. Жидких. Л. : Энергия, 1976. - 352 с.

50. ГОСТ 8.315-97. Государственная система обеспечения единства измерений. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения. (Взамен ГОСТ 8.315-91. Введ. 1998-01-07). -М. : Изд-во стандартов, 2010. 28 с.

51. Шишкин, А. Р. Авторское свидетельство СССР № 1762207 AI, кл. G 01 N 25/ 18 Способ определения теплопроводности материала / А. Р.

52. Шишкин, В. Г. Матвеев, В. Я. Купер, А. А. Рот. Опубликовано 15.09.1992. Бюл. № 34.

53. Болотов, А. Г. Патент РФ № 2241980 С1, кл. G 01 N 25/ 18 Устройство для определения теплофизических характеристик почв в полевых условиях / А. Г. Болотов, А. А. Левин, С. В. Макарычев, Ю.В. Беховых. Опубликовано 10.12.2004.

54. Янкелев, Л. Ф. Методы определения термических коэффициентов теп-локаоляторов. М. : Теплоэнергетика. - 1955. - № 3. - С. 41-48.

55. Янкелев, Л. Ф. Метод скоростного испытания тепловой изоляции. -М. : Электрические станции. 1954. - № 9. - С. 22-28.

56. Янкелев, Л. Ф. Метод скоростного определения коэффициента тепло и температуропроводности без отбора проб. М. : Строит, предприятия нефтяной промышленности. - 1956. - № 5. - С. 17-22.

57. Ерастов, Г. И. Отечественные разработки приборов для измерения теплофизических величин и их метрологическое обеспечение / Г. И. Ерастов, Б.Г. Начкебия, Г.С. Петров // Экспресс-информация, ЦНИИ-ТЭИ приборостроения, ТС-4. 1981. - Вып. 5. - С. 1-20.

58. Куремин, В. В. Промышленные теплофизические приборы (состояние и задачи) / В. В. Куремин, Г. С. Петров, В. М. Козин // Инженерно-физический журнал. 1981.-Т. 40.-№3.-С. 548-553.

59. Преображенский, В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М. : Энергия, 1978.-704 с.

60. Эталонные и образцовые измерительные приборы и установки: Справочник. «Интерэталонприбор». М. : Изд-во стандартов, 1990. - 135 с.

61. Электронный ресурс. URL: http://www.rup-su.ru (дата обращения: 20.04.2011 г.).

62. Электронный ресурс. URL: http://www.iztech.ru (дата обращения: 20.04.2011 г.)

63. Электронный ресурс. URL: http://www.stroypribor.ru (дата обращения: 20.04.2011 г.).

64. Электронный ресурс. URL: http://www.jais.ru (дата обращения: 20.04.2011 г.).

65. Электронный ресурс. URL: http://www.decagon.com (дата обращения 20.04.2011 г.).

66. Куликов, А. В. Разработка малогабаритных термопреобразователей сопротивления для систем температурной диагностике в судебной медицине: автореф. дис. . канд. техн. наук. Ижевск, 2006. - 24 с.

67. Кузьмин, М. П. Электрическое моделирование нестационарных процессов теплообмена. М. : Энергия, 1974. - 416 с.

68. Куликов, А. В. Математическое моделирование тепловых процессов на виртуальных электрических моделях / ИжГТУ. Ижевск, 2006. Деп. в ВИНИТИ 17.04.06, № 509-В2006. - 37 с.

69. Сяктерева, В. В. Электротепловое моделирование системы «датчик-среда» при измерении теплопроводности грунта / В. В. Сяктерева, А.

70. A. Зылёв, В. А. Куликов // Вестник Ижевского государственного технического университета. 2009. - № 2 (42). - С. 115-119.

71. Сяктерева, В. В. Алгоритм обработки данных при измерении теплопроводности грунта методом неограниченного шара / К. А. Никитин,

72. Сяктерева, В. В. Динамические измерения теплопроводности грунта с применением линейного нагревателя-датчика температуры / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева // Вестник Ижевского государственного технического университета. 2011. - № 2 (50). - С. 137-140.

73. Патент на полезную модель № 105442 (Россия), МПК С01К7/16 / Термопреобразователь сопротивления / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева. Заяв. 12.01.2011. -№ 2011101194/28 (Россия); Опубл. 10.06.2011. - Бюл. № 16.

74. ГОСТ Р 8.624-2006. Государственная система обеспечения единства измерений. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Методика поверки. (Введ. 2008-01-01). М. : Изд-во стандартов, 01.04.2008. 27 с.

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

76. Сяктерева, В. В. Экспериментальные исследования информационно-измерительной системы для измерения теплопроводности грунта / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева, К. А. Никитин // Интеллектуальные системы в производстве. 2011. - № 1 (17).-С. 191-196.

77. Куликов, В. А. Разрешающая способность измерителей температуры в градиентных датчиках теплового потока / В. А. Куликов, В. В. Сяктерева // Электроника, автоматика и измерительная техника. Межвузовский научный сборник. Уфа, 2007. - С. 164-166.

78. Дворяшин, Б. В. Метрология и радиоизмерения. М. : Издательский центр «Академия», 2005. - 304 с.

79. Волович, Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. М. : Издательский центр «Додэка-ХХ1», 2005. - 528 с.

80. TLC2654 Advanced LinCMOS Low-Noise Chopper-Stabilized Operational Amplifiers // http://www.ti.com/1 it/gpn/tlc2654 (дата обращения: 02.06.2011).

81. AD5064 Fully Accurate 16-bit DAC // http://www.analog.com/static/importedfiles/datasheets/AD5024AD5Q44 AD5064.pdf (дата обращения: 02.06.2011).

82. AD7738 8-Channel, High Throughput 24-bit ADC // http://www.analog.com/static/imported-files/datasheets/AD7738.pdf (дата обращения: 02.06.2011).

83. Куликов, В. А. Подавление влияния сопротивлений линий связи и коммутирующих цепей в системах измерения температуры / ИжГТУ. -Ижевск, 1998. Деп. в ВИНИТИ 06.04.98, №1024-В98. - 10 с.

84. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613302 от 27.04.2011 / Программа управления измерениями теплопроводности грунта / К. А. Никитин, В. В. Сяктерева; Опубл. -20.09.2011.-Бюл. 3 (76).