Информационно-регистрирующая система измерения теплового поля керамзитобетонной смеси

В. А. ЕСАУЛОВ, аспирант

Изучение нестационарных теплофизических явлений связано с проведением большого количества экспериментов, направленных на выяснение теплофизических характеристик материалов, физико-химических процессов на границах тел, условий теплового нагружения ит. д. [8].

Классический метод измерения температуры в бетонных смесях — прямой метод на основе ртутного термометра [3], который обеспечивает погрешность измерения порядка 0,1 °C. При этом определяется средняя температура среды, окружающей чувствительный элемент термометра. Вследствие хрупкости прибора он применяется преимущественно при лабораторных иссле дованиях. Контроль динамических тепловых полей с помощью ртутных термометров затруднен вследствие их инерционности и сложности быстрого съема показаний. Для наблюдений за тепловым выделением в керамзитобетонных смесях наиболее широко используются преобразователи температуры на базе термопар. В качестве регистрирующей аппаратуры берутся самопишущие приборы и мосты.

Существующая аппаратура не позволяет проводить многоканальные измерения с высокой точностью и вводом информации в компьютер в режиме реального времени твердения бетонной смеси. Для увеличения достоверности моделиро-

вания процессов тепломассопереноса в керамзитобетонных смесях разработана информационно-регистрирутощая система , дающая возможность определять температуру смеси в заданных точках и регистрировать результаты в названном режиме с передачей на компьютер и последующей обработкой полученных данных. Она удовлетворяет главным требованиям: абсолютная погрешность регистрации температуры в заданных точках составляет ± 0,2 °C, количество измерительных каналов — 8, постоянная тепловой инерции первичных термопреообразователей — не более 5 с; обеспечивается гальваническая развязка измерительных цепей; время регистрации результатов многоканальных измерений задается длительностью проводимого эксперимента.

Инфомационно-регистрирующая система включает адиабатический калориметр, подсистему сбора и передачи информации и компьютер. При осуществлении опытов с электроразогревом керамзитобетонной смеси она дополняется электронным ваттметром, имеющим сопряжение с компьютером на основе последовательного интерфейса RS232C, регулятором напряжения, подаваемого на электроды, задатчиком режима нагрева смеси и измерительным модулем, обеспечивающим измерение температуры в смеси и формирование измерительного сигнала для регулятора напряжения.

Адиабатический калориметр содержит корпус, внутри которого установлен водяной бак из нержавеющей стали с нагревателем и мешалкой. В бак помещен прямоугольный сосуд из стали, в котором находятся исследуемые образцы бетонных смесей. Полупроводниковые термодатчики располагаются в водяном баке и сосуде с образцом. Встроенный электронный термометр и терморегулятор помогают выравнивать температуры воды в баке и воздуха, окружающего образец бетонной смеси, с погрешностью не более 0,005 °C. Выравнивание температуры воды внутри водяного бака достигается благодаря ее постоянному перемешиванию во время эксперимента. В крышке калориметра имеются пазы, в которые заложены провода термолреобразователей и силовые провода для электродов, используемых в режиме электроразогрева бетонной смеси.

Структурная схема подсистемы сбора и передачи измерительной информации приведена па рис. 1. В каналы измерения температуры помещены термопреобразователи ТП1 — ТП8, установленные в задан-

2 кГц

Рис. 1. Структурная схема подсистемы сбора и передачи измерительной информации

ных точках образца, и измерительные преобразователи ИП1 — ИП8, преобразующие выходные сигналы ТП во временной интервал. Контроллер формирует команды управления измерительными преобразователями, прием выходных сигналов ИП, их обработку и управление передатчиком последовательного интерфейса RS232C [1]. Источник питания подсистемы имеет встроенный генератор синусоидального напряжения частотой 2 кГц для питания плавающих источников питания преобразователей ИП1 - ИП8.

Термо преобразователями служат кремниевые диффузионные диоды КД103Б [6], преимуществами которых являются малые габариты, высокая чувствительность к изменению температуры и линейность преобразования при заданном стабильном токе через открытый диод [5].

В основу построения измерительных преобразователей положен метод двухтактного интегрирования (2), отличающийся высокой степенью подавления четных гармоник периодической помехи независимо от сдвига фазы сетевого напряжения, если время интегрирования выбрано равным периоду помехи. Для выполнения этого условия тактовые счетные импульсы генератора опорной частоты синхронизированы с частотой помехи, вызванной сетевым напряжением, с помощью фазовой автоподстройки частоты [2]. Подавление сетевой помехи особенно важно при проведении экспериментов, связанных с электроразогревом бетонной смеси, поскольку термопреобразователи находятся в сильном электромагнитном поле, вызванном протеканием тока промышленной частоты через бетонную смесь.

Функциональная схема измерительного преобразователя приведена па рис. 2.

+ U

Рис. 2. Функциональная схема измерительного преобразователя

Ток через термопреобразователь ТП задается на уровне 120 мкА с помощью генератора стабильного тока ГСТ. Выходной сигнал термопреобразователя ТП фильтруется двухзвенным RC-фильтром Ф, усиливается неинвертирующим усилителем У1 и поступает на первый вход суммирующего усилителя У2, на второй вход которого поступает напряжение с выхода источника опорного напряжения ИОН. На выходе усилителя У2 выделяется напряжение, равное приращению температуры относительно начального уровня, который, в зависимости от условий проведения эксперимента, выбирается в диапазоне 0-20 “С.

В первом такте интегрирования управляющий сигнал поступает на оптрон D2, при этом размыкается аналоговый ключ SW3 и замыкается аналоговый ключ SW1. Происходит интегрирование выходного напряжения усилителя У2, соответствующего измеряемой температуре. Во втором такте управляющий сигнал поступает па оптрон D1, и интегрируется опорное напряжение до момента пересечения выходным напряжением усилителя УЗ интегратора нулевого уровня. Выходной сигнал компаратора К через оптрон D3 поступает на вход контроллера. В контроллере происходит выделение второго интервала из выходного сигнала компаратора К и преобразование его в двухбайтовый код, который последовательно считывается линией связи.

Для усиления помехозащищенности подсистемы выходной каскад передатчика контроллера с помощью транзисторной оптопары и плавающего источника ИП гальванически развязан от последовательного порта компьютера. В измерительном преобразователе использованы резисторы С2-29В, операционные усилители ОР-07С и КР140УД8Б, оптроны АОТ101БС, аналоговые ключи SW1, SW2, выполненные на полевых транзисторах КП103Ж, ключ SW3 — на транзисторе КП302А. В ГСТ и ИОН применяются микросхемы TL431C [4].

Калибровка измерительных каналов с подключенными термопреобразователями ТП производится в водном термостате в четырех реперных точках. Используется линейная аппроксимация зависимости падения напряжения на диоде от температуры [7]. Для ввода и обработки данных измерений температуры в компьютере служит пакет MATLAB 6.5, позволяющий обеспечить побайтный ввод информации с восьми термопреобразователей и текущий просмотр результатов измерений в реальном масштабе времени.

Данный комплекс удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к аппаратуре для теплофизических исследований, и представляется перспективным инструментом для дальнейшего изучения процессов тепломассопереноса в керамзитобетонных смесях.