Методы и автоматизированные измерительные комплексы для проведения теплофизического эксперимента

Современная промышленность предлагает исследователю широкий спектр измерительных установок, комплексов и приборов для решения задач автоматизации научных исследований. Такое оборудование зачастую обладает высокой стоимостью, с одной стороны, и не может обеспечить решение всех задач, стоящих перед исследователями, с другой стороны. Кроме того, узкая направленность и закрытость готовых приборов существенно ограничивают исследователя при планировании эксперимента. Следует также отметить, что, несмотря на то, что современные измерительные системы поставляются с уже готовым программным обеспечением, оно, зачастую, не позволяет решать те задачи, которые стоят перед исследователем в желаемом им виде.

Множество экспериментальных идей требуют индивидуального подхода к автоматизации с применением более гибкого и универсального оборудования и разработкой специального программного обеспечения. Поэтому для решения таких задач неизбежно применение универсальных компьютерно-измерительных систем.

Современный автоматизированный физический эксперимент должен обеспечивать не только снятие показаний с датчиков, но и управление процессом эксперимента, запись данных в цифровой форме на управляющий компьютер, их анализ, обработку и визуальную интерпретацию в удобной экспериментатору форме. Кроме того, аппаратная и программная часть эксперимента должна обладать необходимой надежностью. Следовательно, для того, чтобы обеспечить все вышеперечисленные требования, исследователю, занимающемуся разработкой и проектированием систем автоматизации физического эксперимента необходимы не только знания в экспериментальной физике, но также и в вычислительной технике, электронике, программировании [55,58]. Кроме того, разрабатываемая установка должна решать такие задачи, как упрощение процедуры проведения эксперимента и сокращение времени подготовки к эксперименту, времени проведения самого эксперимента и времени обработки данных.

Сказанное является особенно актуальным для теплофизического эксперимента, т.к. несмотря на большое количество методов, устройств, приборов, автоматизированных комплексов, постоянно возникают новые проблемы, решение которых не всегда возможно имеющимися средствами. Особенно это актуально для решения задач, связанных со спецификой Крайнего Севера.

Таким образом, процесс разработки автоматизированных измерительных комплексов является задачей многогранной и требует высокой инженерной квалификации.

Часто встречаются экспериментальные задачи, для решения которых недостаточно использования только одной компьютерной измерительной системы. И в этом случае возникает необходимость объединения в единую автоматизированную установку различных измерительных модулей под управлением одного компьютера. Примером такой установки является сконструированная нами автоматизированная установка для низкотемпературных натурных испытаний сосудов высоких давлений и ее программное обеспечение.

Основной целью автоматизации любого процесса является полное или частичное освобождение человека от оперативного контроля и участия в самом процессе [17, 86]. Когда же объектом автоматизации является научное исследование или эксперимент, то круг целей значительно расширяется, и обязательными также становятся такие требования, как:

— Достаточное быстродействие системы.

— Требуемая точность средств измерения.

— Необходимое число датчиков и каналов измерения для обеспечения нужной информативности.

— Высокая производительность средств сбора и анализа данных.

— Оперативный мониторинг за процессом и т. д. 4.

В научных исследованиях обычно выделяют 10 основных этапов автоматизации [79]:

3. Проектирование и разработка средств автоматизации.

4. Настройка, калибровка.

10. Научная информация.

9. Теория, моделирование.

8. Исследовательская информация (окончательная обработка, систематизация).

7. Выработка решений (продолжение, окончание, управление).

6. Оперативная обработка (в ходе эксперимента).

5. Измерение и накопление экспериментальной информации I.

Рис. 1 Этапы автоматизации научных исследований.

На основе теоретических расчетов и гипотез (1) экспериментатор планирует проведение эксперимента (2), выбирает необходимые методы и средства автоматизации измерений, а также определяет потребности в разработке новых средств (3). Затем следует этап настройки, калибровки и градуировки аппаратуры (4). На этапе измерений и накопления экспериментальных данных (5) требуется оперативный контроль за информацией (6), который осуществляют на экранах персональных компьютеров. В отдельных задачах осуществляют оперативную обработку и принятие решений (7) в целях отбора и сжатия данных для последующего анализа, в других — вводят режим управления ходом эксперимента по результатам обработки. На следующем этапе систематизируют экспериментальную информацию (8), сравнивают с теоретическими расчетами и гипотезами. На последнем этапе получают научную информацию, которую используют в качестве выводов и рекомендаций для техники, технологии и производства (в прикладных областях исследований), или систематизируют и вводят в информационно-поисковые системы (банки данных) (10) для хранения и последующего доступа (в фундаментальных исследованиях). Затем на основе полученной информации строят новые гипотезы и т. д.

Таким образом, осуществляется замкнутый цикл развития и получения новых знаний, в котором автоматизация играет решающую роль [79].

Для успешного решения всех вышеперечисленных задач требуются дорогостоящие средства измерительной и вычислительной техники, средства сопряжения, связи и управления, специализированное программное обеспечение. Таким образом, автоматизация научных экспериментов и исследований, отвечающая требованиям современности и удовлетворяющая все потребности исследователя, становится весьма дорогостоящей затеей и требует тщательного анализа и проектирования. Другими словами, автоматизация научных исследований сама становится объектом исследования, по сложности ничем не уступая, а зачастую и превосходя изначальную цель.

Уникальность поставленной экспериментальной задачи и ограниченность в средствах и финансах побуждает исследователя к самостоятельной разработке систем автоматизации физического эксперимента и автоматизированных измерительных комплексов.

Объектом исследования в работе являются проблемы и методы построения автоматизированных измерительных комплексов для проведения теплофизических экспериментов и натурных испытаний с использованием различных цифровых компьютерно — измерительных систем, а также экспериментальные данные, полученные в результате работы.

Целью данной работы является разработка автоматизированных измерительных комплексов для проведения теплофизических экспериментов и натурных испытаний, получение экспериментальных данных и их анализ и оценка.

Для достижения данной цели ставились следующие задачи:

1. Построение автоматизированного комплекса для измерения теплопроводности методом цилиндрического зонда постоянной мощности и проведение экспериментов с ним.

2. Автоматизация измерений теплопроводности алмазов на базе прибора УКТ — 3 и проведение экспериментов по нахождению постоянных прибора.

3. Разработка автоматизированной установки для низкотемпературных натурных испытаний сосудов высоких давлений и проведение серии испытаний сосудов высоких давлений, предварительная обработка полученных данных.

4. Автоматизация измерений теплопроводности строительных материалов на базе установки ИТСМ-1 и проведение экспериментов по измерению теплопроводности различных материалов.

Научную новизну работы составляют и выносятся на защиту следующие результаты и положения:

1. Зондовый метод определения теплопроводности дисперсных и строительных материалов, основанный на закономерностях начальной стадии разогрева.

2. Методика экспериментального исследования параметров разрушения при натурных испытаниях сосудов высоких давлений.

3. Полученные в результате экспериментов по разрушению сосудов высоких давлений закономерности, позволяющие диагностировать параметры разрушения.

Практическая ценность работы:

Практически все разработанные автоматизированные системы были созданы для решения конкретных прикладных задач и применяются на практике. С использованием материалов работы различными авторами было опубликовано более 30 статей.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается использованием проверенных научных методов, сходимостью теоретических результатов с данными эксперимента, апробацией результатов в практических условиях, критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях.

Внедрение результатов проведенных работ осуществлено в:

1. Экспертной организации Ростехнадзора ЗАО НПП «ФизтехЭРА».

2. Якутском Государственном Проектном Научно — Исследовательском Институте Строительства.

3. ООО Научно-внедренческий центр «Геотехнология».

Результатами исследований являются разработанные автоматизированные комплексы и установки, эксперименты, проведенные с их использованием и полученные новые экспериментальные данные.

Основные результаты работы были представлены автором и соавторами на следующих научно-технических конференциях: I Евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002), II Евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2004), X Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2004), V Евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2010), II Всероссийская конференция по теплофизике «Температура — 2004» (Обнинск, 2004), VI Международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010), Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 2010).

По теме диссертации опубликовано 12 работ. Из них 3 в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Работа содержит 103 страницы машинописного текста, 45 рисунков и 4 таблицы.

Список литературы

включает 125 наименований.

Заключение

.

Современные измерительные и информационные технологии позволяют полностью автоматизировать процесс теплофизических измерений, начиная от регистрации и управления процессом и заканчивая конечной обработкой данных эксперимента и последующих расчетов.

При этом два основных элемента измерительного комплекса — это, компьютер и компьютерно-измерительная система, представляющая собой многоканальный аналогово — цифровой преобразователь высокой разрядности и быстродействия, преобразующий полученные с датчиков сигналы в цифровые сигналы для дальнейшей обработки или передачи в компьютер. Имея подобное универсальное оборудование, инженер получает широкие возможности для экспериментальной деятельности.

Специалист по автоматизации должен решить задачу оптимального выбора средств автоматизации, обеспечения их аппаратной, программной совместимости и согласования в едином экспериментальном комплексе. Иногда требуется модернизация этих средств для реализации задач эксперимента.

В данной работе отражены основные результаты деятельности автора в области автоматизации теплофизических экспериментов и натурных испытаний:

1. Разработан автоматизированный комплекс для измерения теплопроводности методом цилиндрического зонда постоянной мощности. Разработано программное обеспечение для работы с данным комплексом. Проведена серия экспериментов с использованием данного комплекса.

2. Автоматизированы измерения теплопроводности алмазов на базе прибора УКТ — 3. Разработано соответствующее программное обеспечение.

3. Разработана автоматизированная установка для низкотемпературных натурных испытаний сосудов высоких давлений. Разработаны.

88 компьютерные приложения для регистрации данных и для обработки и визуализации полученных файлов данных. Проведена серия испытаний сосудов высоких давлений и получены новые данные.

4. Автоматизированы измерения теплопроводности материалов на базе установки ИТСМ-1. В результате автоматизации значительно упрощен процесс эксперимента. Разработано компьютерное приложение для проведения эксперимента и градуировки установки. Проведена серия экспериментов с использованием автоматизированной установки.

5. Автоматизирован мониторинг температурного режима грунтов и проведена оценка влияния сезонных охлаждающих устройств.

6. По результатам проведенных работ опубликовано 12 статей. Из них — 3 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК.

Практически все разработанные автоматизированные системы были созданы для решения конкретных прикладных задач и применяются на практике. Результаты разработок были внедрены в:

1. Экспертной организации Ростехнадзора ЗАО № 111 «ФизтехЭРА».

2. Якутском Государственном Проектном Научно — Исследовательском Институте Строительства.

3. ООО Научно-внедренческий центр «Геотехнология».