Методы и приборы контроля качества веществ, материалов и изделий: Методические указания к выполнению практических занятий

ГОУ ВПО “Тамбовский государственный технический университет”

Методические указания к выполнению практических занятий по учебной дисциплине «Методы и приборы контроля качества веществ, материалов и изделий»в 10 семестре для студентов группы МГ-51, обучающихся в магистратуре по программе 200500.15 – “Всеобщее управление качеством”

Составители: С.В. Пономарев А.Г. Дивин

Тамбов - 2006

Лабораторно-практическая работа №1 ОСНОВЫ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Цель работы: Изучение основ феноменологической теории теплопроводности и получение практических навыков в постановке задач о расчете температурных полей плоских пластин, неограниченных цилиндров и шаров с граничными условиями 1-го, 2-го, 3-го и 4-го рода. Задание: 1. Изучить основы феноменологической теории теплопроводности. 2. Получить навыки постановки задачи о расчете температурных полей, используя примеры решения задач. 3. Закрепить полученные навыки, проведя расчеты по вариантам из таблицы 1, используя задачи для самостоятельного решения. Методические указания Перед началом выполнения лабораторной работы следует изучить материал главы 1 [1, с. 5-22]. Примеры решения задач Задача 1. Записать постановку задачи о расчете температурного поля плоской пластины толщиной Н, на поверхности x = 0 которой заданы граничные условия первого рода, а на поверхности x = Н граничные условия второго рода. Начальные условия постоянные. Ответ: ∂ T ( x, τ ) ∂ 2 T ( x, τ ) = a , ∂τ ∂ x2 τ > 0, 0 < x < Н , T ( x,0) = Tн = const , T (0, τ ) = ϕ (τ ), ∂ T (H , τ ) λ = q (τ ). ∂x

Задача 2. Записать постановку задачи о расчете температурного поля плоской пластины толщиной Н, на поверхности x = 0 которой заданы граничные условия второго рода, а на поверхности x = Н граничные условия третьего рода. Начальные условия постоянные. Ответ:

∂ T ( x, τ ) ∂ 2T ( x, τ ) = a , ∂τ ∂ x2 τ > 0, 0 < x < Н , T ( x,0) = Tн = const , ∂ T (0, τ ) −λ = q1 (τ ), ∂r ∂ T (H , τ ) λ = α [ ψ 2 (τ ) − T ( H , τ )]. ∂x

Задача 3. Записать постановку задачи о расчете температурного поля неограниченного сплошного цилиндра радиуса R c постоянной первоначальной температурой Tн = 0о С , помещенного в момент времени τ = 0 в активно перемешиваемую жидкость с температурой Tк = 50 о С . Ответ: ∂ T (r , τ ) 1 ∂  ∂ T (r , τ )  = a r , ∂τ r ∂ r  ∂ r  τ > 0, 0 < r < R, T (r ,0) = Tн = 0o C , ∂ T (0, τ ) = 0, ∂r T ( R, τ ) = Tк = 50 o C.

Задача 4. Записать постановку задачи о расчете температурного поля шара с первоначальной температурой T (r ,0) = Tн = const , который в момент времени τ = 0 помещен в активно перемешиваемую жидкость с температурой Tк = const . Ответ: ∂ T (r , τ ) 1 ∂  2 ∂ T (r , τ )  = a 2 r , ∂τ ∂ r  r ∂ r  τ > 0, 0 < r < R, T (r ,0) = Tн = const , ∂ T (0, τ ) = 0, ∂r T ( R, τ ) = Tк = const.

Задача 5. То же самое, но шар в момент времени τ = 0 помещен в газовую среду, теплообмен с которой происходит по закону Ньютона. Ответ: ∂ T (r , τ ) 1 ∂  2 ∂ T (r , τ )  = a 2 r , ∂τ ∂ r  r ∂ r  τ > 0, 0 < r < R,

T (r ,0) = Tн = const , ∂ T (0, τ ) = 0, ∂r ∂ T ( R, τ ) λ = α T c ( τ ) − T ( R, τ ) . ∂r

[

]

Задача 6. Для двухслойного неограниченного цилиндра (0 < r < R1 и R1 < r < R2) из материала с постоянными теплофизическими свойствами λ1, λ2, а1, а2 при r = R1 заданы граничные условия специального вида (p(τ) = p = const), при r = 0 задан тепловой поток q = 0, при r = R2 известен закон теплообмена по закону Ньютона с греющей средой TC(τ). Начальное условие имеет вид TН(r) = 0. Записать постановку задачи о расчете температурного поля T(r,τ). Ответ: ∂ T1 (r ,τ ) ∂  ∂ T (r ,τ )  = a1  r 1 , ∂τ ∂r  ∂ r  τ > 0, 0 < r < R1 , ∂ T2 (r ,τ ) ∂  ∂ T (r ,τ )  = a2  r 2 `, ∂τ ∂r  ∂ r  τ > 0, R1 < r < R2 , T1 (r ,0) = 0, T2 (r ,0) = 0 , ∂ T1 (0,τ ) = 0, ∂r T1 ( R1 , τ ) = T2 ( R1 , τ ),    λ ∂ T1 ( R1 , τ ) − λ ∂ T2 ( R1 , τ ) = p = const , 2  1 ∂r ∂r ∂ T (R , τ ) − λ2 2 2 = α T C (τ ) − T2 ( R2 , τ ) . ∂r

[

]

Задачи для самостоятельного решения Варианты заданий для самостоятельной работы

Таблица 1

Но мер варианта

Система координат

Облас ть определения

Нача льные условия

r = R1

1 2 3 4 5 6

Декартова Цилиндри ческая Сферичес кая Декартова Цилиндри ческая Сферичес кая

7

Г R1 < r
Tн(r)

У-1 Г У-2 Г У-3 Г

R1 < r
Tн(r) = Tн

У-2 Г У-3 Г У-1

Декартова

Г R1 < r
Tн(r)

У-3

=0

8

Цилиндри ческая 9 Сферичес кая 10 Декартова

Г У-1 Г У-2 Г R1 =0<

Tн(r)

Цилиндри r
У-1

11

14

Цилиндри ческая

15

R1 < r
Г У-2 Г У-3 Tн(r) = Tн= = const

Г У-2 Г У-1

Сферичес кая

Г У-3

Граничные условия r= r R2 = R3 ГУ -2 ГУ -3 ГУ -1 ГУ Г -4, р=0 У-3 ГУ Г -4, p(τ) У-1 ГУ Г -4, У-2 p=const ГУ Г -4, У-1 p=const ГУ Г -4, р=0 У-2 ГУ Г -4, p(τ) У-3 ГУ -1 ГУ -2 ГУ -3 ГУ Г -4, р=0 У-1 ГУ Г -4, У-3 p=const ГУ Г -4, p(τ) У-2

Контрольные вопросы 1. Каким образом феноменологическая теория теплопроводности рассматривает строение вещества? 2. Поясните смысл понятия – температурное поле. 3. Какие бывают температурные поля? 4. Что такое изотермическая поверхность? 5. Каким образом вводится понятие – градиент температурного поля? 6. Каким образом вводится понятие – плотность теплового потока? 7. Поясните смысл и запись основного закона теплопроводности Фурье. 8. Каким образом получается запись закона теплопроводности Фурье для несжимаемого вещества при его представлении с использованием энтальпии? 9. Поясните (на основе упрощенной записи закона теплопроводности Фурье) физический смысл коэффициента теплопроводности и коэффициента температуропроводности. 10. Самостоятельно осуществите вывод соотношения (1.10). 11. Выполните переход от соотношения (1.10) к дифференциальному уравнению теплопроводности в виде (1.13). 12. Каким образом из уравнения (1.13) получается уравнение теплопроводности (1.15)? 13. Запишите трехмерное дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности для декартовой системы координат. 14. Запишите трехмерное дифференциальное уравнение стационарной теплопроводности для декартовой системы координат. 15. Каким образом с использованием понятия – коэффициент формы – записываются дифференциальные уравнения нестационарной теплопроводности в декартовой, цилиндрической и сферической системах координат? 16. Какими дополнительными условиями должно быть дополнено дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности для того, чтобы получить запись прямой и/или обратной краевой задачи теплопроводности? 17. Каким образом задаются начальные условия? 18. Какие виды граничных условий вы знаете? 19. Приведите примеры задания граничных условий первого рода. 20. Поясните физический смысл и приведите примеры задания граничных условий второго рода. 21. Какой физический смысл имеет закон конвективного теплообмена Ньютона? 22. Поясните физический смысл и приведите примеры задания граничных условий третьего рода.

23. Каким образом задают знак ("+" или "-") при записи граничных условий второго и/или третьего рода на левой и на правой границах области определения краевой задачи теплопроводности? 24. Поясните физический смысл и приведите примеры задания граничных условий четвертого рода. 25. Поясните физический смысл и приведите примеры задания граничных условий четвертого рода специального вида. 26. Что является исходными данными прямой краевой задачи теплопроводности, и какие результаты получаются в итоге ее решения? 27. По заданию преподавателя запишите постановку прямой краевой задачи теплопроводности. 28. Что является исходными данными обратной краевой задачи теплопроводности (относительно граничных условий) и какие результаты получаются в итоге ее решения? 29. По заданию преподавателя запишите постановку обратной краевой задачи теплопроводности. 30. Что является исходными данными инверсной краевой задачи теплопроводности (относительно коэффициентов) и какие результаты получаются в итоге ее решения? 31. По заданию преподавателя запишите постановку инверсной краевой задачи теплопроводности. Литература 1. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин.-Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006.-Кн. 1.- 204с. Лабораторная работа №2 Измерение теплоемкости материалов методом монотонного разогрева Цель работы: Изучение теоретических основ и получение практических навыков измерения теплоемкости материалов методом монотонного разогрева. Задание: Определить зависимость удельной теплоемкости исследуемого материала от температуры в интервале от +60 до +200 °С. Методические указания

Перед началом выполнения лабораторной работы следует изучить материал параграфа 3.2 [1, с. 34-38].

Описание лабораторной установки

Основой лабораторной установки является модифицированный прибор ИТ-с-400, который состоит из блока питания 1 (см. рис. 1) и измерительного блока 2. Последний блок имеет адиабатическую оболочку, состоящую из верхней 3 и нижней 4 частей. Имеется возможность поднимать и поворачивать верхнюю часть оболочки, что позволяет производить установку исследуемого образца.

Рис. 1 – Общий вид прибора ИТ-с-400 Исследуемый образец 1 (см. рис. 2), имеет форму цилиндра диаметром 15 мм и высотой 10 мм и помещается в ампулу с крышкой. Через тепломер 2 в образец поступает тепловой поток от нагревателя 4. Для предотвращения теплообмена с окружающей средой адиабатическая оболочка 3 нагревается до той же температуры, что и образец. На нижней и верхней поверхностях тепломера, а также в адиабатической оболочке установлены термоэлектрические преобразователи BK1…BK4, подключенные к нормирующим преобразователям НПТ-2.2. Выходные сигналы преобразователей поступают на аналоговые входы платы сбора данных PCI-MIO-16E-1 производства National Instruments, а также на вторичный 4-х канальный цифровой показывающий прибор ПКЦ -4Э. Полученные при помощи АЦП платы сбора данных, цифровые эквиваленты сигналов термоэлектрических преобразователей обрабатываются в персональном компьютере по программе, разработанной в среде LabView 8.0. Для управления скоростью разогрева образца и разностью температур образца и адиабатической оболочки программно реализованы виртуальные регуляторы. С их помощью на аналоговых выходах платы сбора данных, согласно пропорционально интегрально-дифференциальному (ПИД) закону регулирования, формируются сигналы с напряжением 0…10 В, которые через усилитель мощности поступают на нагреватели 4, 5. При этом

скорость нагрева образца поддерживается равной 0,1 К/с, а температура нагревателя адиабатической оболочки равна температуре образца.

Рис. 2 – Функциональная схема лабораторного стенда по изучению метода измерения теплоемкости материалов в режиме монотонного разогрева. Порядок выполнения эксперимента

Эксперимент проводится в режиме удаленного доступа по каналам сети Интернет. 1. Включить персональный компьютер, дождаться загрузки операционной системы и в строке адреса Интернет-браузера указать следующее: http:\\82.179.148.38\Itc.htm. После вызова программы в окне Интернет-браузера появится панель управления виртуального прибора, показанная на рисунке 3. После этого взять управление лабораторным стендом на себя (см. п.2 порядка выполнения лабораторной работы №1).

Рисунок 3 – Вид главной лицевой панели В правой части панели расположены четыре кнопки: «Константы», «Градуировка» «Эксперимент», «Просмотр». Немного ниже и левее находится кнопка «STOP», предназначенная для выхода из программы. Кнопка «Константы» служит для ввода значений удельной теплоемкости и массы стандартного медного образца. Кнопка «Градуировка» позволяет провести градуировочные эксперименты с медным образцом и с пустой ампулой, по результатам которых вычисляются постоянные прибора KТ(T) и τ Tn ( T ) . Кнопка «Эксперимент» позволяет провести измерение теплопроводности исследуемого образца в заданном диапазоне температур. Кнопка «Просмотр» служит для вызова подпрограммы отображения полученных ранее экспериментальных данных. 2. Нажать кнопку «Эксперимент». Это вызовет появление диалогового окна (см. рисунок 4), где необходимо ввести запрашиваемую исходную Рисунок 4 – Диалоговое окно информацию. для ввода исходных данных После ввода всех данных и нажатии клавиши «OK», на

экране появится панель управления экспериментом, показанная на рисунке 5. Эта панель разбита на четыре зоны. В верхней зоне справа расположен графический индикатор, на котором отображаются термограммы нижней и верхней поверхности тепломера. На правом нижнем индикаторе регистрируется темп разогрева образца.

Рисунок 5 – Панель управления экспериментом

В левой верхней области панели управления расположены элементы индикации параметров эксперимента: • индикатор текущего времени эксперимента; • индикатор названия исследуемого материала; • индикаторы выходных сигналов регуляторов; • индикатор разности температур исследуемого образца и адиабатической оболочки (колпака); • индикатор примерного значения удельной теплоемкости исследуемого образца. Это значение вычислено с использованием зависимости: c=

•

kT ( T )  dT ( τ ) n  − τ T ( T ) ,  ∆ T( T ) m  dτ 

где m – масса образца, ∆T – перепад температур на тепломере, dT/dτ скорость изменения температуры на верхней поверхности тепломера. В нижней зоне слева расположены органы управления, предназначенные для изменения следующих режимов эксперимента: • предельной температуры образца, которая может быть достигнута в эксперименте; • темпа разогрева; • кнопка «Стоп», предназначенная для прекращения эксперимента и выхода в программу для обработки полученных экспериментальных данных; кнопка «Старт», которая служит для запуска эксперимента. • индикаторы включения нагревателя и выхода на режим (когда выравниваются скорости роста температур на нижней и верхней поверхностях тепломера). После окончания эксперимента на экране монитора выводится окно с результатами эксперимента (см. рисунок 6). В этом окне пользователь имеет возможность также уменьшить число экспериментальных точек путем их округления, установить нижние пределы измерения и аппроксимации, Пользователь имеет возможность сохранить данные в указанное им место в текстовый файл, напечатать график зависимости на принтере или напечатать рисунок в файл. При нажатии кнопки «Exit» пользователь возвращается в главное окно программы.

Рисунок 6 – Вид панели с результатами эксперимента Содержание отчета 1. Название работы, цель и задание. 2. Рисунок 2. 3. График зависимости теплоемкости

исследуемого

материала

от

температуры. Контрольные вопросы 1. Расскажите об устройстве измерительного блока прибора ИТ-с-400. 2. Как в эксперименте определяется тепловая мощность, подводимая к стакану с образцом? 3. Выведите расчетную формулу для теплоемкости образца. 4. Объясните схему лабораторного стенда. 5. Что Вы понимаете под адиабатическим разогревом образца? 6. Сколько термопреобразователей находится в составе прибора ИТ-с400 и где они расположены? 7. Поясните порядок выполнения лабораторной работы. 8. Что являются регулируемыми параметрами в приборе ИТ-с-400? 9. Почему используемые ПИД-регуляторы называют виртуальными? 10.Как производится градуировка прибора? 11.Для чего внешняя поверхность адиабатической оболочки выполнена ребристой? 12.Каким образом компьютер сопряжен с прибором ИТ-с-400?

Литература 1. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин.-Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006.-Кн. 1.- 204с. Лабораторная работа №3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ СТАЦИОНАРНЫМ МЕТОДОМ

Цель работы: Изучение стационарного метода и измерительного устройства для определения теплопроводности неметаллических материалов стационарным методом. Задание: 1.Изучить теоретические основы стационарного метода определения теплопроводности твердых материалов. 2. Изучить конструкцию прибора ИТ-4 и схему лабораторного стенда. 3.Экспериментально определить теплопроводность исследуемого материала стационарным методом. Методические указания Перед началом выполнения лабораторной работы следует изучить материал параграфов 4.1 и 4.2 [1, с. 43-68]. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка создана на основе прибора ИТ-4, конструктивная схема которого представлена на рис. 1. Основание 1 прибора, представляющее собой сварную стальную конструкцию прямоугольной формы, предназначено для крепления к нему кронштейна 4, холодильника 2 и дна с опорными ножками прибора. Внутри основания укреплена плата 15, разведены и укреплены электрические провода, схема и шланги охлаждения. Холодильник 2 представляет собой полый диск, внутри которого циркулирует теплоноситель (вода) с постоянной температурой. Он предназначен для отвода теплоты, прошедшей через испытуемый образец 16, и поддержания температуры нижней поверхности образца на постоянном уровне во время испытаний. В центре рабочей поверхности холодильника, внутри монолитного электроизоляционного покрытия укреплен чувствительный элемент 17

преобразователя теплового потока. Покрытие предназначено для защиты преобразователя от механических повреждений. Проводники от чувствительного элемента уложены в специальных каналах, устроенных в корпусе холодильника, и выведены через полость кронштейна 4 на его крышку. Нагреватель 3 предназначен для создания теплового потока, подводимого к образцу 16. Он состоит из массивного медного корпуса, внутри которого смонтирован нагревательный элемент, обеспечивающий получение тепловых потоков плотностью q до 104 Вт/м2. Кронштейн 4 предназначен для крепления к основанию 1 обоймы 7. Он насажен на основание при помощи центрирующих штифтов и крепится к нему четырьмя винтами. Обойма 7 предназначена для размещения в ней ползуна 6, крепления измерителя толщины 8, диска 9 и колпака 14. Обойма представляет собой трубу с двумя фланцами, один из которых служит для крепления обоймы к кронштейну, другой – для крепления диска 9. По концам обоймы внутри нее запрессованы подшипники скольжения ползуна. Экран (тепловой) 5, как и холодильник представляет собой полый диск с циркулирующей внутри водопроводной водой. Он служит для защиты (экранирования) от перегрева деталей прибора, расположенных выше нагревателя, крепится неподвижно с помощью винтов к верхней крышке нагревателя через электротеплоизоляторы. В центре верхней части корпуса экрана приварен стержень-ползун 6 и ввинчены два штуцера для подачи и отвода циркулирующего хладагента.

Рис. 1 - Конструкция прибора ИТ-4

1-основание, 2-холодильник, 3-нагреватель, 4-кронштейн, 5-экран, 6-ползун, 7-обойма, 8измеритель толщины образца, 9-диск, 10-крышка, 11-кольцо, 12-втулка, 13-преобразователь температуры, 14-колпак, 15-плата, 16- исследуемый образец, 17- преобразователь теплового потока.

Преобразователи температуры 13 предназначены для измерения температуры в центрах обеих поверхностей образца и разности этих температур. Каждый преобразователь температуры представляет собой ленточную термопару, помещенную в эластичную обкладку, приклеенную к рабочей поверхности нагревателя или холодильника. Измеритель толщины образца 8 крепится неподвижно в специально предусмотренном отверстии на конце кронштейна 4 с помощью зажимного винта, будучи предварительно выставленным следующим образом: при отсутствии зазора между холодильником и нагревателем (с наклеенными на их рабочие поверхности преобразователями температуры 13) нижний конец подвижного штока измерителя толщины должен касаться верхней плоскости экрана 5. При этом показания на шкале измерителя должны быть равны нулю. Колпак 14 предназначен для ограждения нагревателя с экраном и кронштейна с измерителем толщины; он представляет собой стальной цилиндр с приваренным изнутри кольцом, к которому крепится диск 9; с помощью последнего колпак 14 неподвижно крепится к верхнему фланцу обоймы 7. Кольцо 11 через круглое отверстие в колпаке 14 надевается на измеритель толщины 8 и фиксируется на нем с помощью винта. В рабочем состоянии прибора между холодильником 2 и нагревателем 3 зажат испытуемый образец 16, помещенный между эластичными обкладками преобразователей температуры 13. Зазор для образца между обкладками образуется при помощи механизма вертикального перемещения нагревателя в пределах от 0 до 10 мм. Этот механизм состоит из крышки 10, связанной с ползуном 6 резьбовым соединением. При вращении крышки 10 нагреватель перемещается в вертикальном направлении параллельно поверхности холодильника. В зазор между холодильником и нагревателем помещают образец и вращением крышки 10 в обратном направлении опускают нагреватель на образец без зазора. После соприкосновения нагревателя с верхней поверхностью образца при одновременном образования зазора между крышкой 10 и диском 9, на что укажет остановка стрелки измерителя толщины 8, масса подвижной системы прибора оказывает на образец постоянное удельное давление 5⋅103 Н/м2. Образец из исследуемого материала изготавливается в виде диска, торцевые поверхности которого должны быть плоскопараллельными с отклонением от плоскопараллельности не более ± 0,005 мм для образцов толщиной 0,5 мм и не более ±0,02 мм для образцов толщиной 10 мм. Не

допускаются к исследованиям образцы с вогнутостью хотя бы одной из поверхностей. Рекомендуемые размеры образца приведены в табл. 1. Таблица 1. Рекомендуемые размеры исследуемого образца Ориентир Размеры овочное значение Диаметр Толщина, мм теплопроводно , мм сти, Вт/(м⋅К) от 0,01 до 0,1 от 0,1 до 1,0 от 1,0 до 1,5 от 1,5 до 2,5 от 2,5 до 5,0

от 60 до 120 от 60 до 120 от 100 до 120 100 100

от 0,5 до 5 от 1 до 5 от 3 до 8 от 5 до 10 от 8 до 10

Температурный режим измерений определяется мощностью, подводимой к нагревателю, и температурой хладагента, циркулирующего между холодильником и термостатом. Для каждого режима измерений необходимо соблюдать условие: разность температур торцевых поверхностей образца не должна превышать 5 К. Измерительная установка (рис. 2), используемая в лабораторной работе, содержит следующее оборудование: • измеритель теплопроводности ИТ-4; • жидкостный термостат, обеспечивающий циркуляцию воды с постоянной температурой через холодильник измерителя ИТ-4; • клеммник (коннектор) к которому подключены два термоэлектрических преобразователя (ТЭП) измерителя ИТ-4, ТЭП жидкостного термостата и преобразователь теплового потока (тепломер); • персональный компьютер, оснащенный платой сбора данных (ПСД), на АЦП которой через коннектор поступают сигналы преобразователей. • усилитель мощности сигнала ЦАП ПСД, необходимый для питания электронагревателя прибора ИТ-4; • реле К, которое служит для включения нагревателя термостата в сеть переменного напряжения 220 В. Управляющим сигналом является напряжение 5 В, формируемое на дискретном выходе DO ПСД.

Рис.2 - Измерительная установка для определения теплопроводности материалов Плата сбора данных ПСД типа PCI-1202Н фирмы ISP DAS (Тайвань) способна принимать сигналы от 32 датчиков с аналоговым выходом (-10… +10) В и 16 датчиков с дискретным выходом (напряжения уровней, соответствующих логическому нулю или единице), а также формировать дискретные выходные сигналы по 16 каналам и аналоговые сигналы по двум каналам. При измерении сигналов преобразователей аналоговый мультиплексор подключает к усилителю платы сбора данных поочередно один из входных сигналов (см. рис. 3): Е1 – э.д.с. термоэлектрического преобразователя термостата, E2– э.д.с. преобразователя теплового потока; Е3– э.д.с. термоэлектрического преобразователя на верхней грани образца; Е4 – э.д.с. термоэлектрического преобразователя на нижней грани образца.

Рис.3 - Структурная схема канала измерения аналоговых входных сигналов в плате сбора данных С помощью АЦП получают цифровые эквиваленты входных сигналов. В течение короткого промежутка времени измеряется n мгновенных значений сигнала с частотой 100 кГц, и результаты измерений помещаются в памяти буфера данных и образуют выборку из n цифровых эквивалентов входной величины. Далее, в программе, из каждой выборки определяется среднее значение и производится обработка экспериментальных данных в соответствии с принятой математической моделью. Программа управления лабораторным стендом, обработки экспериментальных данных, их визуализации разработана в LabView, и лицевая панель виртуального прибора представлена на рисунке 4.

Рис. 4 - Вид панели управления лабораторным стендом

Порядок выполнения работы

Перед началом выполнения лабораторной работы, следует согласовать с обслуживающим персоналом название исследуемого материала, толщину образца и время проведения эксперимента. После чего необходимо выполнить следующие действия: 1. Включить персональный компьютер. В адресной строке Интернетбраузера ввести следующий идентификатор WEB-страницы: http:\\82.179.148.38\It4.htm; 2. После вывода лицевой панели управления стендом в окно браузера, поместить курсор на панель и нажатием правой кнопки мыши вызвать контекстное меню, в котором следует выбрать команду «Request Control of VI» (Предоставить управление виртуальным прибором). 3. Установить на задатчике виртуальной панели требуемую температуру в термостате и переключателем «Управление» выбрать автоматический режим. 4. Наблюдать по виртуальным графическим индикаторам изменения температур на нижней и верхней поверхностях образца, теплового потока и значения теплопроводности. 5. Когда температуры и тепловой поток станут постоянными во времени (или почти постоянными), записать в таблицу 2 значения теплопроводности, температуры воды в термостате и температуры образца. 6. Установить следующее значение температуры воды в термостате и повторить п. 4-5. 7. Остановить программу, выключить компьютер. Таблица 2 - Экспериментальные данные №Название материала

Температура Средняя λ, воды в Вт/(м⋅K) температура термостате°С образца °С

1 2 Содержание отчета

1. Структурная схема лабораторной установки (рис. 2). 2. Таблица 2 с экспериментальными данными. Контрольные вопросы 1. В каких единицах измеряется плотность теплового потока?

2. Почему перед правой частью уравнения описывающего закон теплопроводности Фурье стоит знак «минус»? 3. Почему используемый метод измерения теплопроводности называется стационарным? 4. Из каких основных частей состоит прибор ИТ-4? 5. Какие функции выполняет крышка прибора ИТ-4? 6. Почему к испытанию не допускаются образцы с выпуклой или вогнутой поверхностью? 7. Как задается температурный режим измерений? 8. Почему при увеличении ориентировочного значения теплопроводности повышают рекомендуемые значения толщины и диаметра образца? 9. Что такое дифференциальные термоэлектрические преобразователи и как их можно использовать для измерения тепловых потоков? 10. Из каких основных функциональных блоков состоит лабораторная установка? 11. Какие функции выполняет плата сбора данных в составе персонального компьютера? 12. Какие функции выполняет тепловой экран в составе прибора ИТ-4? Литература 1. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин.-Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006.-Кн. 1.- 204с. Лабораторная работа №4 ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА МГНОВЕННОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изучить теоретические основы метода мгновенного источника тепла, а также устройство автоматизированного лабораторного стенда.

Цель работы:

Задание: Определить полиметилметакрилата.

теплофизические

характеристики

Методические указания

Перед началом выполнения лабораторной работы следует изучить материал параграфа 5.2 [1, с. 102-117].

Описание лабораторной установки

Функциональная схема лабораторной установки изображена на рис. 1. Линейный источник тепла (нагреватель) размещен в образце из полиметилметакрилата. Образец имеет форму куба со стороной 150 мм, и для упрощения математической модели температурного поля будем считать его неограниченным телом. При этом допущении температура в каждой точке зависит только от расстояния r до нагревателя. Сопротивление нагревателя равно 3,5 Ом, последовательно с ним для ограничения тока включен балластный резистор, имеющий сопротивление Rбалл = 6 Ом. Через нормально разомкнутый контакт реле К нагреватель подключен к блоку питания. На расстоянии R=4 мм от нагревателя размещена обмотка из медной проволоки, выполняющая функцию термопреобразователя сопротивления. Обмотка включена в мостовую измерительную схему, в одно из плеч которой включен также магазин сопротивлений R3, позволяющий производить коррекцию напряжения разбаланса моста при изменении температуры окружающей среды. Это напряжение разбаланса через усилитель постоянного тока поступает на аналоговый вход платы сбора данных PCI911DG фирмы ADLINK. Таким образом, в процессор персонального компьютера поступает цифровой эквивалент температуры T(R,τ) образца. Для обработки измерительного сигнала и формирования дискретного выходного сигнала на катушку реле K разработана программа на графическом языке LabView. Кроме управления лабораторным стендом и обработки экспериментальных данных программа позволяет регистрировать и выводить на экран монитора в табличном виде зависимость T(R,τ). Определив по этой зависимости максимальное значение температуры и соответствующее ему значение времени, можно рассчитать теплофизические характеристики исследуемого образца.

Рис. 1- Функциональная схема лабораторной установки

Порядок выполнения эксперимента

1. Включить персональный компьютер. В адресной строке Интернетбраузера ввести следующий идентификатор WEB-страницы: http:\\82.179.148.50\Mit.htm; 2. После вывода лицевой панели управления стендом (см. рис. 2) в окно браузера, поместить курсор мыши на панель и нажатием правой кнопки мыши вызвать контекстное меню, в котором следует выбрать команду «Request Control of VI» (Предоставить управление виртуальным прибором). 3. Установить на задатчике лицевой панели управления лабораторным стендом продолжительность теплового импульса в интервале от 1 до 5 с. 4. При установившемся значении температуры в образце, измеренной при помощи термопреобразователя, нажать кнопку «Пуск» лицевой панели. При этом контакт реле К на заданное время подключит нагреватель к блоку питания. 5. Нажать кнопку «Стоп» когда температура достигнет максимума и станет уменьшаться. При этом в таблице «Экспериментальные данные» появятся значения зависимости Т(R, τ). 6. По таблице определить значения τmax .

7. Определить значение Tmax= T(R, τmax)- Т(R, 0). 8. Произвести расчет значений a, λ и cρ исследуемого материала согласно методике, изложенной в параграфе 5.2. 9. Дождавшись установления нового стационарного режима, повторить эксперимент 2-3 раза. Экспериментальные и расчетные данные при этом необходимо записывать в таблицу 1

Рис. 2 - Панель управления лабораторным стендом

сρ, Дж/(м3К)

а,м2/с

λ, Вт/(м⋅К)

ϕλ ϕа

Tmax,K

τmax, с

τ0,с

Qл=P⋅τ0,Вт⋅с/м

P, Вт/м

Rбалл, Ом

Rнагр, Ом

U, В

n

R, мм

Таблица 1. Экспериментальные и расчетные данные

1 2 3 Содержание отчета

1. 2. 3. 4.

Название работы, цель, задание. Расчетные формулы с пояснениями. Рисунок 1. Таблица 1. Контрольные вопросы

1. Запишите математическую модель температурного поля в образце. 2. Поясните смысл граничных условий в математической модели. 3. Какие особенности образца не учитывает математическая модель температурного поля. 4. Выведите расчетные зависимости для теплопроводности и теплоемкости образца. 5. Для чего в расчетные зависимости вводятся поправки. 6. Объяснить устройство термопреобразователя сопротивления. 7. Объяснить устройство экспериментальной установки. 8. Какую функцию выполняет плата сбора данных. 9. Объяснить порядок проведения эксперимента. 10. Как изменится значение Tmax при увеличении или уменьшении теплопроводности образца. 11. Как изменится значение τmax при увеличении или уменьшении температуропроводности образца? Литература 13. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин.-Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006.-Кн. 1.- 204с.

Лабораторная работа №5 Измерение температуропроводности материалов нестационарным методом регулярного режима первого рода

Цель работы: Овладеть теоретическими основами и практическими навыками определения температуропроводности материалов методом регулярного режима 1-го рода. Задание: Измерить температуропроводность полистирола. Методические указания Перед началом выполнения лабораторной работы следует изучить материал параграфа 6.2 [1, с. 124-150]. Описание лабораторной установки

Рис. 1 Схема лабораторной установки

В состав лабораторной установки входят (см. рис.1): - исследуемый образец, состоящий из двух дисков, между которыми размещен термопреобразователь RK из медной проволоки, намотанной бифилярно по спирали Архимеда; - мостовая измерительная схема, плечами которой являются манганиновые резисторы R1, R2, R3 и медный термопреобразователь сопротивления RK; - усилитель напряжения разбаланса мостовой измерительной схемы; - жидкостный термостат; - плата сбора данных PCI6221, размещенная в слоте PCI персонального компьютера. Диски из полистирола имеют толщину 8 мм и диаметр 100 мм. Напряжение питание мостовой схемы 100 мВ. Бифилярный способ намотки проволоки термопреобразователя позволяет значительно уменьшить индуктивные наводки в измерительной цепи. Сбор экспериментальных данных происходит под управлением ПК. Программное обеспечение разработано в среде LabView 8.0.

Порядок выполнения эксперимента

1. Включить персональный компьютер. В адресной строке Интернетбраузера ввести следующий идентификатор WEB-страницы: http:\\82.179.148.50\Rr1.htm; 2. После вывода лицевой панели управления стендом (см. рис. 2) в окно браузера, поместить курсор мыши на панель и нажатием

правой кнопки мыши вызвать контекстное меню, в котором следует выбрать команду «Request Control of VI» (Предоставить управление виртуальным прибором).

Рис. 2 Панель управления лабораторным стендом 3. Нажать кнопку «Начать работу»; 4. Дождаться установления стационарной температуры термопреобразователя, после чего нажать кнопку «Нагрев». В этот момент времени, исследуемый образец будет помещен в ванну жидкостного термостата; 5. Когда будет достигнуто новое стационарное значение температуры термопреобразователя, нажать кнопку «STOP». В таблице «Экспериментальные данные» появятся значения зависимости T(0,τ) температуры времени. 6. Произвести обработку экспериментальных данных согласно алгоритму, изложенному в параграфе 6.2.3.3. Содержание отчета

Название работы; Цель работы; Схема экспериментальной установки; График зависимости ln(T(0,τ)-Тс), где Тс установившаяся в конце эксперимента температура; 5. Расчет и результат измерения температуропроводности. 1. 2. 3. 4.

Контрольные вопросы

1. 2.

4. 6. 7. 8.

Что представляет собой объект исследования в лабораторной работе? Что представляет собой методика измерения температуропроводности образца? 3. Запишите математическую модель температурного поля в образце. Выведите расчетную формулу для температуропроводности образца. 5. Почему в ряде Фурье можно оставить только первый член? Что такое регулярный режим первого рода? Второго рода? Третьего рода? Как изменяется температура в образце при регулярном режиме первого рода? Опишите схему лабораторной установки. 9. Из какого металла или сплава изготовлены проволочные резисторы R1, R2, R3? (см. схему и описание экспериментальной установки). 10.Произведите анализ методических погрешностей измерения температуропроводности. Литература 14. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин.-Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006.-Кн. 1.- 204с. Лабораторная работа №6 Измерение теплопроводности методом монотонного разогрева

Цель работы: Изучение теоретических основ и получение практических навыков измерения теплопроводности материалов методом монотонного разогрева. Задание: Определить зависимость теплопроводности исследуемого материала от температуры в интервале от 60 до 200 °С. Методические указания

Перед началом выполнения лабораторной работы следует изучить материал параграфа 6.3.3 [1, с. 171-181] «Метод монотонного режима нагрева исследуемых образцов».

Описание лабораторной установки

Основой лабораторной установки является прибор ИТ-λ-400, предназначенный для измерения теплопроводности твердых материалов в диапазоне температур от минус 100 до +400 °С. Конструкция серийно выпускавшегося ранее прибора ИТ-λ-400 во многом аналогична конструкции прибора ИТ-с-400. Отличия имеются только в измерительном блоке, а точнее в его тепловой схеме (см. параграф 6.3.3.1). Термоэлектрические преобразователи BK1…BK5 измерительного блока подключены к клеммнику X2, (см. рис. 1) в непосредственной близости от которого имеется интегральный датчик температуры BK6 типа AD22100ST фирмы Analog Device. Этот датчик позволяет вводить поправку на температуру холодных спаев преобразователей BK1-BK5. Напряжение питания +5 В поступает на датчик с источника ИПС 3-02 Все перечисленные датчики подключены по схеме с общей землей (Ground) к аналоговым входам (AI7-AI11) платы сбора данных PCI1802H (фирмы ISP DAS). Достоинством этой платы является наличие программно управляемых усилителей с большим коэффициентом передачи и высокой частотой оцифровки (около 300 кГц на каждый канал). Программно, в среде LabView 8.0, реализовано автоматическое управление мощностью нагревателя EK2, с целью поддержания постоянной скорости разогрева образца, которая, как правило, задается равной 0,1 К/с. Изменение мощности нагревателя происходит при помощи расположенного в блоке питания преобразователя БУСТ с тиристорами, управляемого напряжением ЦАП платы сбора данных (выход АО1). Регулирование разности температур образца и адиабатической оболочки осуществляется аппаратно, с использованием уже имеющегося в блоке питания позиционного регулятора и нагревателя ЕК1 .

Рис. 1 – Функциональная схема измерительного блока модифицированного прибора ИТ-λ-400. Порядок выполнения эксперимента

Включить персональный компьютер. В адресной строке Интернетбраузера ввести следующий идентификатор WEB-страницы: http:\\82.179.148.38\Itl.htm; 2. После вывода лицевой панели управления стендом (см. рис. 2.) в окно браузера, поместить курсор на панель и нажатием правой кнопки мыши вызвать контекстное меню, в котором следует выбрать команду «Request Control of VI» (Предоставить управление виртуальным прибором); 3. Нажать кнопку «Измерение», после чего на экран монитора будет выведено панель окна для ввода общей информации (см. рис. 2). При этом необходимо заранее согласовать с сотрудниками лаборатории материал образца и его размеры. После ввода всех данных нажать кнопку «ОК» панели. 1.

Рис. 2 - Главное окно программы

Рис. 3 – Диалоговое окно для ввода общей информации. 4. В открывшемся окне (см. рис. 4) установить скорость нагрева равной 0,1 К/с, температуру автоматического завершения эксперимента и, после того как в индикаторе «Теплопроводность» обозначение NaN (Not a Number) сменится на числовое значение, нажать кнопку «Регистрация данных».

Рис. 4 – Панель управления экспериментом. Наблюдать ход эксперимента по графическим индикаторам. В случае возникновения каких-либо отклонений следует остановить эксперимент кнопкой «Закончить измерения» и сообщить о возникшей ситуации сотрудникам лаборатории. 6. После того, как измерения будут закончены, на экране монитора вновь появится главное окно программы, выбрав в котором кнопку «Результаты» можно посмотреть только что полученные экспериментальные 5.

данные (см. рис. 5). В открывшемся окне можно произвести аппроксиммацию данных полиномом любого порядка, посмотреть общую информацию, сохранить информацию в текстовом виде на своем компьютере и т.д.

Рис. 5 – Окно просмотра экспериментальных данных Содержание отчета

1. 2. 3. 4.

Название лабораторной работы, цель, задание. Функциональная схема измерительного блока. Информация об исследуемом образце и операторе. График зависимости теплопроводности исследуемого материала от температуры.

Контрольные вопросы

1. В чем суть метода монотонного разогрева, используемого для измерения теплопроводности? 2. В каких единицах измеряется теплопроводность и в чем ее физический смысл? 3. Поясните вывод расчетных соотношений для вычисления теплопроводности. 4. Расскажите об устройстве лабораторного стенда. 5. Сколько датчиков находится в измерительном блоке прибора и каково их назначение? 6. Каким образом устанавливается напряжение питания основного нагревателя ЕК1 измерительного блока? 7. Для чего нужна адиабатическая оболочка? 8. Расскажите об устройстве тепломера измерительного блока. 9. Поясните назначение органов для управления ходом эксперимента виртуальной панели (рис.3). 10. Почему данный метод измерения называют иначе квазистационарным? 11. Какую форму должен иметь образец исследуемого материала? 12. Почему с увеличением ожидаемого значения теплопроводности должна повышаться толщина образца? Литература 15. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин.-Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006.-Кн. 1.- 204с. Лабораторная работа №7

Измерение теплофизических свойств материалов методом регулярного режима второго рода Цель работы: Изучить теоретические основы метода регулярного режима

второго рода. Задание: Определить зависимость теплофизических полиметилметакрилата от температуры.

характеристик

Методические указания

Перед началом выполнения лабораторной работы следует изучить материал параграфа 6.3 [1, с. 150-181].

Описание лабораторной установки

Состав лабораторной установки подробно описан в пункте 6.3.1.1. параграфа 6.3 [1, с. 150-152, рис. 6.6]. Порядок выполнения эксперимента

1. Включить персональный компьютер. В адресной строке Интернетбраузера ввести следующий идентификатор WEB-страницы: http:\\82.179.148.38\Rr2.htm; 2. После вывода лицевой панели управления стендом (см. рис. 1) в окно браузера, поместить курсор на панель и нажатием правой кнопки мыши вызвать контекстное меню, в котором следует выбрать команду «Request Control of VI» (Предоставить управление виртуальным прибором). 3. Нажать кнопку «Пуск» панели; 4. Дождаться, когда разогрев образца будет происходить в регулярном режиме. При этом термограммы на графиках будут идти параллельно друг другу. 5. Записывать в таблицу через каждые два градуса Цельсия значения теплопроводности и объемной теплоемкости; Таблица 1. Экспериментальные данные № Темп Тепл Объем Темп п ература, опроводнос ная ературопро /п °С теплое водность, ть λ, Вт/ м2/с мкость сρ, (м⋅К) Дж/(м3⋅К) 1 ⋅ ⋅ ⋅

1 0 6. Рассчитать и записать в таблицу значения температуропроводности a=

λ cρ .

7. Построить графики зависимости теплопроводности, объемной теплоемкости и температуропроводности полиметилметакрилата от температуры.

Рисунок 1. Панель управления лабораторным стендом Содержание отчета

1. Название работы, цель, задание. 2. Таблица 1. 3. Графики зависимостей λ(T), cρ(T), a(Т). Контрольные вопросы

1. Поясните физическую модель измерительного устройства. 2. Запишите математическую модель температурного поля в измерительном устройстве. 3. Расскажите о методике выполнения измерений. 4. Каким образом можно судить о наступлении регулярного режима второго рода теплового процесса в измерительном устройстве? 5. Что представляет собой безразмерный критерий Фурье? 6. Как можно уменьшить влияние тепловых контактных сопротивлений в измерительном устройстве? 7. Что представляет собой автоматизированная измерительная установка? 8. Почему в данном методе влияние начального распределения температуры в образце несущественно? 9. В чем заключается активная стадия эксперимента? 10.Выведите расчетные соотношения для погрешности измерения теплопроводности и температуропроводности материалов методом регулярного режима второго рода.

Литература

1. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин.-Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006.-Кн. 1.- 204с. Лабораторная работа №8 Определение реологических характеристик неньютоновских жидкостей

Цель работы: Изучить методы определения реологических характеристик ньютоновских и неньютоновских жидкостей. Задание: Экспериментально определить кривую течения исследуемой неньютоновской жидкости. Методические указания

Перед началом выполнения работы следует изучить материал главы 8 параграф 8.2 [1, с. 45-71] и 8.3.2.2.1 [1, с. 97-102]. Описание лабораторной установки

Основой лабораторной установки является измерительное устройство, представленное на рис. 1. Данное устройство изготовлено по схеме ротационного вискозиметра Куэтта с коаксиальными цилиндрами и кроме измерения реологических характеристик позволяет определять зависимость теплофизических величин от скорости сдвига. Внутренний цилиндр измерительного устройства состоит из корпуса 1, полусферического наконечника 5 и защитной гильзы 4. Корпус изготовлен из капролона и установлен при помощи подшипников 6 в стальной трубке 7, которая, в свою очередь крепится к наружному цилиндру 2. Такая конструкция позволяет цилиндрам свободно вращаться относительно друг друга. Рабочая часть корпуса внутреннего цилиндра имеет проточку глубиной 0,5 мм, длиной 120 мм, в которой виток к витку бифилярно уложены обмотки 12 нагревателя и термопреобразователя сопротивления соответственно из константановой и медной проволок. Сопротивление нагревателя равно 2200 Ом, а термопреобразователя 36,8 Ом при 20 °С. В зазоре между цилиндрами находится исследуемая жидкость 3. Для защиты от возможного агрессивного воздействия исследуемого материала обмотки защищены гильзой 4 из алюминия, толщиной 2 мм. Высота внутреннего цилиндра составляет 260 мм. Зазор между нагревателем 12 и гильзой 4 заполнен теплопроводной пастой КПТ-8. Выводы от термопреобразователя и нагревателя проложены в специальном канале на внешней поверхности цилиндра, герметизированы эпоксидной смолой и подключены к разъемному соединению.

Наружный цилиндр 2, внутренним диаметром 53 мм и толщиной 4 мм изготовлен из бронзы и имеет насадку 10, предназначенную для крепления измерительного устройства на валу электропривода. Насадка имеет полусферическое углубление, которое необходимо для плавного перехода цилиндрической формы зазора между цилиндрами в полусферическую. К боковой поверхности насадки прикреплена цилиндрическая оболочка 11 из нержавеющей стали, образующая водяную рубашку. Через штуцеры 9 в полость корпуса внутреннего цилиндра подводится теплоноситель из термостата, что обеспечивает задание на стенках полости граничных условий первого рода. Диаметр рабочей части полностью собранного внутреннего цилиндра составляет 51 мм, а внутренний диаметр наружного цилиндра равен 54 мм. Таким образом, зазор между цилиндрами составляет 1,5 мм. В процессе эксперимента происходит вращение наружного цилиндра при неподвижном внутреннем цилиндре. Это приводит к сдвиговому течению исследуемой жидкости в зазоре 3.

Рис. 1 – Конструкция измерительного устройства

Полусферическая форма наконечника 5 внутреннего цилиндра позволяет уменьшить влияние нормальных напряжений, возникающих в сдвиговом потоке вязкоупругой исследуемой жидкости, что предотвращает ее «наползание» на внутренний цилиндр и попадание в подшипники 6. Шкив 8 предназначен для крепления троса, который удерживает внутренний цилиндр от вращения. Измерение силы натяжения этого троса, позволяет определить вращающий момент, действующий на внутренний цилиндр, и рассчитать механическое напряжение, возникающее в слое исследуемой жидкости за счет сдвигового течения. Измерительная установка полностью автоматизирована и работает под управлением персонального компьютера, оснащенного платой сбора данных. Программа управления установкой разработана в лицензионной среде программирования LabView 8.0

Привод внешнего цилиндра ИУ представляет собой электродвигатель постоянного тока (ЭПТ) 3 с редуктором (см. рис. 2). Задание нужной скорости вращения производится оператором с персонального компьютера (ПК) 12. Изменение угловой скорости вращения цилиндра осуществляется за счет изменения напряжения на якорной обмотке электродвигателя, подводимого через выпрямитель 10, усилитель мощности 4 и коннектор с аналогового выхода (АО) цифро-аналогового преобразователя платы сбора данных (ПСД), расположенной в персональном компьютере 12.

На внешнем цилиндре измерительного устройства укреплен постоянный магнит 17, что позволяет контролировать частоту вращения цилиндра с помощью датчика Холла 5, выходной сигнал которого поступает на аналоговый вход платы ПСД. Теплофизические свойства исследуемой жидкости определяются по температурному отклику на тепловое воздействие постоянной мощности, выделяемой в нагревателе внутреннего цилиндра.

Рис. 2 – Функциональная схема измерительной установки 1 – измерительное устройство; 2 – жидкостный термостат; 3 – электродвигатель постоянного тока; 4 – усилитель мощности У-13Н; 5- магнитоуправляемый интегральный датчик скорости (датчик Холла К1116КП2); 6 – виброчастотный преобразователь силы; 7 – трос; 8– рычажная система; 9 – усилитель виброчастотного преобразователя силы; 10 – выпрямитель; 11 – блок питания Б5-49; 12 – персональный компьютер, оснащенный многофункциональной платой сбора данных (ПСД); 13 – мостовая измерительная схема; 14 – усилитель; 15 – магазин сопротивлений; 16 – коробка холодных спаев. Напряжение на электрический нагреватель поступает от блока питания 11 через контакты реле, программно управляемого персональным компьютером через дискретные выходы платы сбора данных. Температурный отклик регистрируется медным термопреобразователем сопротивления, включенным по трехпроводной схеме в измерительный мост 13. Сигнал разбаланса мостовой схемы поступает через усилитель 14 SCM7B30 (коэффициент передачи 1000, производство фирмы DATAFORTH)

на аналоговый вход платы сбора данных. Для уравновешивания мостовой схемы при различных температурах внутреннего цилиндра служит магазин сопротивлений 15 (Р-32), включенный в одно из плеч моста. Жидкостный термостат 2 типа СЖМЛ-19/2,5-И1 используется для задания температурного режима и поддержания граничных условий первого рода в измерительном устройстве. Для этого теплоноситель из термостата прокачивается через полость во внутреннем цилиндре и водяную рубашку наружного цилиндра. В качестве теплоносителя можно использовать воду или синтетическое масло, если необходим нагрев исследуемой жидкости до температур выше 90 0С. Температура жидкости в термостате измеряется при помощи термоэлектрического преобразователя ТХК, подключенного через коробку холодных спаев (КХС) 16 к аналоговому входу платы сбора данных. Температура холодных спаев измеряется при помощи интегрального термопреобразователя AD22100ST, выходной сигнал которого (напряжение) также поступает на аналоговый вход платы сбора данных и далее в компьютер, где и вводится поправка к измеренной термо-э.д.с. термопары. Используемая в установке плата сбора данных PCI-6221 (производство National Instruments) имеет частоту дискретизации 250 кГц, 8 дифференциальных каналов 16-разрядного АЦП, 16 каналов дискретного входа-выхода, 2 канала ЦАП. Относительная погрешность измерения напряжения с помощью такой платы составляет менее 0,1 %. Эксперимент по определению реологических характеристик исследуемой жидкости состоит из следующих стадий: - подготовительная, в ходе которой исследуемая жидкость находится только в полусферическом зазоре между цилиндрами. При этом ∗   определяется поправочная функция M (γ ) = а ⋅ γ , учитывающая величину вращающего момента, действующего за счет сил вязкого трения жидкости на полусферическое окончание внутреннего цилиндра; - основная, в ходе которой исследуемая жидкость заполняет весь зазор между цилиндрами. На этом этапе при заданной температуре определяется кривая течения исследуемой жидкости, представляющая собой зависимость касательного напряжения σ от скорости сдвига γ . Напряжение σ определяется по вращающему моменту, действующему на рабочую часть внутреннего цилиндра за счет вязкого трения в жидкости. Нелинейная аппроксимация кривой течения позволяет определить реологические характеристики исследуемой жидкости, такие, как коэффициент консистенции m и индекс течения n. Методика проведения эксперимента. Первая, подготовительная стадия эксперимента, включает в себя следующие измерительные операции: 1) заливка при помощи дозирующего шприца заданного объема V* исследуемой жидкости в полусферическое углубление внешнего цилиндра V∗ =

(

)

2 π ⋅ Rв3 − Rн3 =6 мл 3

где Rв – внутренний радиус внешнего цилиндра;

2) 3) 4) 5)

Rн – внешний радиус внутреннего цилиндра; установка и закрепление внутреннего цилиндра; вызов главного программного модуля (рис. 3) управления измерительной установкой; включение термостата и установка требуемой температуры теплоносителя цифровым элементом управления «Задание» на виртуальной лицевой панели управления; включение электропривода постоянного тока наружного цилиндра и установка напряжения на блоке питания якорной обмотки электродвигателя, обеспечивающего заданную скорость сдвига γ в зазоре между цилиндрами.

Рис. 3 – Главный модуль программы Установка напряжения осуществляется посредством воздействия на задатчик «Управление ЭПТ» виртуальной панели управления. При этом происходит изменение напряжения на выходе ЦАП платы сбора данных (см. рис. 2), которое через усилитель мощности и выпрямитель поступает на обмотку якоря электродвигателя постоянного тока;

6) регистрация установившегося значения величины вращающего * момента М путем нажатия кнопки «Запись γ, M» (см. рис 4): M* = F

(

Rш2 , Rн

F = 0,145∆ f + 1,74 ⋅ 10 − 5 ∆ f *

2

),

где М – вращающий момент, действующий на полусферическое окончание внутреннего цилиндра; Rш – радиус шкива 8 (см. рис. 1); F – сила, действующая на виброчастотный преобразователь; ∆f – изменение частоты сигнала преобразователя силы ∆ f = f − f0 ; f0 – частота сигнала виброчастотного преобразователя при силе F=0; f – частота сигнала виброчастотного преобразователя при силе F>0; 7) изменение скорости сдвига в слое исследуемой жидкости на значение ∆  γ =5…10 с-1 в соответствии с правилами, изложенными в п. 4; 8) выполнение заданного числа k раз пунктов 6-7 этой методики. 9) определение коэффициента a зависимости M ∗ (γ ) = а ⋅ γ путем аппроксимации полученных результатов методом наименьших квадратов. Основная стадия эксперимента 1) заливка при помощи шприца заданного объема V исследуемой жидкости во внешний цилиндр на высоту h = 100 мм, причем V = π ⋅ h ⋅ ( Rн2 − Rв2 ) = 25 мл ;

2) установка и закрепление внутреннего цилиндра, подключение шлангов к штуцерам и контрольного кабеля к разъему внутреннего цилиндра; 3) вызов главного модуля программы (см. рис. 3), ввод исходных данных: название материала, фамилии, имени и отчества исследователя, номера образца и номера эксперимента; 4) нажатие кнопки «Определение реологических характеристик» в окне главного модуля. При этом на экран монитора выводится окно (см. рис. 4) виртуальной панели управления на стадии определения реологических характеристик.

Рис. 4 – Панель управления 5) включение термостата и задание требуемой температуры теплоносителя; 6) включение электропривода постоянного тока наружного цилиндра и установка заданной скорости сдвига γ в слое исследуемой жидкости (в соответствии с правилами, изложенными в п. 5 методики подготовительной стадии эксперимента); 7) регистрация при помощи кнопки «Запись γ, σ» установившегося значения величины касательного напряжения σ в слое исследуемой жидкости и скорости сдвига γ : σ =

M , 2π lRв2

M = M изм − M * = F

Rш2 − a ⋅ γ , Rн

, где М – вращающий момент, действующий на рабочую часть внутреннего цилиндра, Мизм – измеренное значение вращающего момента, действующего на внутренний цилиндр ИУ,

l – длина цилиндрического участка внутреннего цилиндра, погруженного в исследуемую жидкость; 8) увеличение скорости сдвига в слое исследуемой жидкости на ∆ γ =5..10 с-1; 9) выполнение заданного числа k раз пунктов 7-8 данной методики; 10) определение реологических характеристик – показателя консистенции m и индекса течения n исследуемой жидкости, путем аппроксимации методом наименьших квадратов k экспериментальных n значений касательного напряжения и скорости сдвига функцией σ rϕ = m ⋅ γ , удовлетворяющих условию i= k

∑

( σ − mγ n )2 → min .

i= 1

Порядок выполнения эксперимента

В лабораторной работе проводится только основная стадия определения реологических характеристик. При этом необходимо выполнить следующие действия: Включить персональный компьютер. В адресной строке Интернетбраузера ввести следующий идентификатор WEB-страницы: http:\\82.179.148.50\Rhsdv.htm; 2. После вывода главного окна программы (см. рис. 3) в окно браузера, поместить курсор на панель и нажатием правой кнопки мыши вызвать контекстное меню, в котором следует выбрать команду «Request Control of VI» (Предоставить управление виртуальным прибором); 3. Нажать кнопку «Определение реологических характеристик». При этом появится панель управления, представленная на рисунке 4. 4. Установка задания температуры теплоносителя термостата; 5. Установка заданной скорости сдвига γ в слое исследуемой жидкости (в соответствии с правилами, изложенными в п. 5 методики подготовительной стадии эксперимента); 6. Регистрация при помощи кнопки «Запись γ, σ» установившегося значения величины касательного напряжения σ в слое исследуемой жидкости и скорости сдвига γ 7. Увеличение скорости сдвига в слое исследуемой жидкости на ∆ γ =5..10 с-1; 8. Выполнение заданного числа k раз пунктов 5-7; 9. Закончить эксперимент путем нажатия кнопки «Стоп». При этом на экран монитора выводится панель с экспериментальными данными и n результатами аппроксимации кривой течения зависимостью σ = m ⋅ γ (см. рис. 5). 1.

Рис. 5 – Панель обработки экспериментальных данных Содержание отчета

1. Название работы, цель, задание. 2. График экспериментально полученной зависимости σ = f ( γ ). 3. Результаты аппроксимации кривой течения зависимостью σ = m ⋅ γ n . Контрольные вопросы

1. Что такое скорость сдвига? 2. В чем отличие ньютоновских жидкостей от неньютоновских? 3. Что такое кажущаяся вязкость? 4. Каковы основные модели течения неньютоновских жидкостей? 5. Какие характеристики жидкостей относятся к реологическим? 6. Перечислите и охарактеризуйте основные методы и средства измерения вязкости жидкости.

7. Что представляет собой измерительное устройство, используемое в настоящей лабораторной работе? 8. Перечислите датчики, применяющиеся в данной измерительной установке. 9. Каково назначение жидкостного термостата, используемого в измерительной установке. 10. Чему равна скорость сдвига исследуемой жидкости, если скорость вращения наружного цилиндра равна 40 об./мин. 11. Как измеряется скорость вращения наружного цилиндра? 12. Каким образом определяется вращающий момент, передающийся внутреннему цилиндру за счет силы вязкого трения при вращении наружного цилиндра? 13. Поясните порядок проведения эксперимента по определению реологических характеристик неньютоновских жидкостей. 14. Поясните назначение элементов управления виртуальных панелей. 15. Как производится обработка экспериментальных данных? Литература 1. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин.-Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006.-Кн. 2.- 216с.