Экспериментальная установка для определения теплофизических характеристик порохов

В настоящее время исследования влияния условий эксплуатации метательных зарядов (МЗ) на их температурное поле и эффективность стрельбы артиллерийских орудий являются актуальными.

По своей структуре МЗ относятся к дисперсным системам, состоящим из твердой фазы (гильза, пороховые элементы, картонные изделия, флегматизатор и др.) и газовой фазы (воздушная смесь), поэтому передача тепла в таких системах осуществляется по сложному механизму и определяется кондуктивной теплопередачей, конвекцией воздушной смеси и излучением.

Задача нахождения температурного поля МЗ состоит в определении температуры в любой его точке с координатами А(х,у,z) в любой момент времени τ .

Данная задача может решаться с использованием современного комплекса программного обеспечения SolidWorks и COSMOSWorks. Для этого необходимо знать теплофизические характеристики элементов, входящие в состав МЗ, в частности коэффициент теплопроводности λ , закон его изменения от температуры t и закон изменения температурных характеристик окружающей среды от времени τ .

Наиболее проблемным является экспериментальное определение коэффициента теплопроводности λ пороховых элементов МЗ и закона его изменения с требуемой точностью.

Предлагаемая экспериментальная установка для определения теплофизических характеристик порохов основана на теории теплового регулярного режима и позволяет определять темп охлаждения (нагревания) m пороха [1]. Далее коэффициент теплопроводности λ рассчитывается по зависимости

λ= к ⋅ m ⋅ с ⋅ ρ,

где к - коэффициент формы исследуемого порохового заряда;

с – удельная теплоёмкость пороха;

ρ – плотность пороха.

Точность определения темпа охлаждения (нагревания) m пороха в основном будет зависеть от точности датчика температуры (термометра), способов снятия показаний температуры пороха и математической обработки данных. Использование ртутных лабораторных термометров ограничивает температурный диапазон исследования, так как они не применимы при температуре ниже минус 10⁰С, а спиртовые лабораторные термометры обладают недостаточной точностью. Кроме того, их использование не позволяет автоматизировать математическую обработку данных и увеличивает трудоемкость процесса, так как необходимо с минимальным периодом (не более одной минуты) измерять температуру пороха в течение не менее одного часа. Поэтому в разработанной установке используются полупроводниковые датчики температуры, имеющие линейную зависимость выходного сигнала от температуры, широкий диапазон (от минус 50 до плюс 150⁰С) и высокую точность измерения [2].

Экспериментальная установка состоит из водяного термостата ТВ1500, акалориметра и автоматизированного измерительного комплекса, в состав которого входит ЭВМ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и полупроводниковый датчик температуры.

Принцип работы автоматизированного измерительного комплекса заключается в следующем. Аналоговый сигнал (напряжение) с датчика температуры поступает в АЦП, с помощью которого преобразуется в цифровой код, доступный для обработки на ЭВМ. Далее по разработанной программе цифровой сигнал распознается в ЭВМ и по соответствующему математическому аппарату рассчитывается коэффициент теплопроводности λ .

Работоспособность и точность автоматизированного измерительного комплекса обеспечивается согласованностью технических характеристик его элементов. Разрешение АЦП в 12 бит и значение температурного коэффициента датчика температуры в 22,5мВ/0С обеспечивают чувствительность комплекса в целом при диапазоне входного напряжения 10В – 0,220С, что удовлетворяет требования точности экспериментальной установки.

Базовый комплект программного обеспечения разработчика АЦП не позволяет производить математическую обработку входного сигнала с датчика температуры на ЭВМ. Поэтому на основе библиотеки программных файлов разработчика АЦП создан программный продукт на языке программирования Borland C++ Builder.

Ввод исходных данных для расчетов и настройка режима работы АЦП осуществляется через меню пользовательского интерфейса программы, результаты расчетов сохраняются в файл. Объем памяти занимаемый одним файлом результатов расчета с частотой один раз в секунду в течении суток составляет 11 Мбайт.

Разработанная программа позволяет: 1) в режиме реального времени по соответствующему математическому аппарату рассчитывать теплофизические характеристики порохов; 2) производить обработку информации максимально по шестнадцати каналам одновременно или по выбранному пользователем их количеству; 3) регулировать частоту снятия показаний с датчика температуры, математической обработки и сохранения результатов в файл, что упрощает обработку результатов длительных экспериментов и уменьшает требования к свободному объему жесткого диска ЭВМ; 4) производить осреднение выходного сигнала с датчика температуры и выбирать режим работы АЦП на входной сигнал (аналоговый или дифференциальный), что повышает помехозащищенность комплекса в целом; 5) выбирать частоту дискретизации АЦП от 1кГц до 50кГц и регулировать, таким образом, чувствительность комплекса.

Точность определения температуры с использованием измерительного комплекса не превышает 0,250С. Автоматизация экспериментальной установки позволила снизить ошибку определения теплофизических характеристик порохов при вероятности 0,95 с 5,4% до 1,5%.

Таким образом, с использованием разработанного автоматизированного измерительного комплекса усовершенствована экспериментальная установка для определения теплофизических характеристик порохов, основанная на теории теплового регулярного режима. Она отличается от предыдущей версии возможностью автоматизированного сбора и обработки результатов эксперимента на ЭВМ.