Это несоблюдение условия постоянства плотности теплового потока значительно снижает точность получаемых результатов и приводит к появлению больших погрешностей в определении Лд".
Лабораторные исследования являются весьма дорогостоящими и требуют длительного времени, к тому же их результаты не характеризуют с достаточной достоверностью теплозащитные свойства реального объекта.
В то время как натурные исследования наиболее полно отражают фактические теплотехнические характеристики наружных ограждающих конструкций, поскольку проводятся в конкретных климатических условиях на реально существующих объектах.
Таким образом, можно сделать вывод, что отсутствие актуальной информационно-нормативной базы не позволяет добиться единства измерений, а предлагаемые для испытаний средства измерений далеко отстали от современного оснащения.
На сегодняшний день завершаются подготовительные работы по внесению измерительного комплекса ИТС-1 в Государственный Реестр Средств Измерений.
Дмитрий Николаевич Аксенов — инженер 3 категории ОАО НПП "Эталон".
® (3812) 36-84-00
Е-таП: fgup@omsketalon.ru □
УДК 536.63(083.76)
АВТОМАТИЗАЦИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО СПЕЦИАЛЬНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 1337...1800 К "ГЭТ 67-75"
Ю. О. Малышев
Кратко описано устройство и работа государственного специального эталона "ГЭТ 67-75" и его калориметрической установки. Приведены результаты по улучшению стабильности поддержания температуры в термостатах калориметрической установки, достигнутые при помощи оборудования ОАО НПП "Эталон".
Ключевые слова: автоматизация, эталон, удельная теплоемкость.
Государственный специальный эталон "ГЭТ 67-75" согласно [1] предназначен для воспроизведения и хранения единицы удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур 1337---1800 К и передачи размеров единицы при помощи рабочих эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, применяемым в промышленности (рис. 1). Эталон "ГЭТ 67-75" располагается в Екатеринбурге во ФГУП "УНИИМ".
Эталон состоит из калориметрической установки Н-1, комплекса измерительной аппаратуры и специальной меры удельной теплоемкости из синтетического корунда по ГОСТ 9618—61 (рис. 2).
Частичная автоматизация эталона "ГЭТ 67-75" с помощью оборудования ОАО НПП "Эталон" проводилась для калориметрической установки Н-1 и была выполнена в течение 2011—2012 годов.
Калориметрическая установка Н-1 состоит из жидкостного калориметра с изотермической оболочкой и двух высокотемпературных термостатов: один основной на диапазон 1173...1800 К, а второй, дополнительный, на диапазон 400...1173 К.
Жидкостной калориметр с изотермической оболочкой представляет собой массивный жидкостный термостат объемом 70 л, в котором располагается калориметр (рис. 3). Назначение термостата — поддержание в своем объеме температуры 25 °С со стабильностью ±0,001 °С в процессе
54
вепвогв & Эувгетв • № 3.2014
05
«
Я о о 3 Л
я . о ' И !
о
й
й
£ ^ О "
ч
о
« Я
ч
о
а
8 О
Рн
Рис. 1. Поверочная схема для средств измерений удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне 400...1800 К
измерения удельной теплоемкости меры. В качестве теплоносителя в этом термостате используется вода. Более подробное описание калориметра приводится в [2].
Основной термостат — это вертикальная высокотемпературная печь на диапазон 1173...1800 К (на рис. 2 — цилиндр, расположенный справа). Эта печь имеет два нагревателя: охранный и основной. Охранный нагреватель обеспечивает нагрев внутреннего объема печи до температуры 1000 °С, а основной — от 1000 до 1500 °С. Охранный и основной нагреватели имеют по три обмотки для обеспечения вертикального градиента температуры вдоль оси рабочего пространства термостата.
Дополнительный термостат — вертикальная печь на диапазон 400...1173 К (на рис. 2 — цилиндр, расположенный слева). Эта печь имеет трехобмоточный нагреватель для обеспечения градиента в рабочем объеме.
В общем случае при измерении удельной теплоемкости меры или образца материала эталон работает следующим образом. Мера удельной теплоемкости завешивается в рабочем объеме одного из термостатов, основного или дополнительного, на платиновой проволоке, при этом мера или образец материала помещаются в специальную ампулу. Термостат с мерой выводится на требуемую температуру, а термостат калориметра выводится на температурный режим 25 °С.
Датчики и Системы • № 3.2014
55
Рис. 2. Государственный специальный эталон единицы удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур 1337...1800 К "ГЭТ 67-75"
Рис. 3. Жидкостной калориметр с изотермической оболочкой:
1 — калориметрический сосуд; 2 — калориметрическая бомба;
3, 9 — термометры калориметра и оболочки соответственно;
4, 7 — нагреватели калориметра и оболочки соответственно; 5 — мешалки с приводом; 6 — изотермическая оболочка, заполненная водой; 8 — змеевик для охлаждения оболочки; 10 — контактный термометр для регулирования температуры оболочки
После того как термостаты выйдут на температурный режим, платиновая проволока, на которой подвешена мера, пережигается, и мера из термостата падает в приемник, расположенный в термостате калориметра. Контрольный термометр фиксирует изменение температуры в термо-
стате калориметра, вызванное нагретой мерой, и по результатам этих измерений рассчитывается удельная теплоемкость меры.
Таким образом, точность измерения удельной теплоемкости меры или образца материала во многом зависит от градиента температуры и стабильности поддержания температуры в термостате калориметра в основном и дополнительном термостате.
Градиент температуры в термостате калориметра обеспечивается благодаря постоянному перемешиванию в нем воды, а в основном и дополнительных термостатах за счет трех обмоток нагревателей.
Термостат калориметра должен поддерживать температуру 25 °С со стабильностью ±0,001 °С в час. Основной термостат должен обеспечивать стабильность поддержания температуры ±0,3 °С в час в диапазоне 1173... 1800 К, а дополнительный термостат — ±0,3 °С в час в диапазоне 400...1173 К.
До 2011 г. регулирование температуры в термостатах калориметрической установки осуществлялось с помощью аналоговых регуляторов температуры Р-133, изготовленных в 1980-е гг. Эти регуляторы обеспечивали ПИД-закон регулирования, но все настройки коэффициентов ПИД-закона выполнялись оператором вручную.
В 2011 г. управление термостатом калориметра и дополнительного термостата было выполнено с помощью цифрового микропроцессорного блока управления БУ-7 производства ОАО НПП "Эталон", а в 2012 г. такая же замена была сделана и у основного термостата.
В конструкции термостата калориметра имеется два нагревателя: один основной мощный нагреватель, который обеспечивает нагрев 70 л воды до температуры, близкой к 25 °С, и второй, дополнительный нагреватель, который позволяет точно вывести термостат на температуру 25 °С, но делает это очень медленно. Поэтому в процессе работы приходилось долго ждать установления режима стабильности в термостате калориметра. Применение блока управления БУ-7 позволило отказаться от использования дополнительного нагревателя и обеспечить выход на температуру 25 °С с требуемой стабильностью только на одном основном нагревателе.
Блок управления БУ-7 обеспечивает адаптивный алгоритм регулирования и позволяет добить-
56 - вепвогв & БувЬетв • № 3.2014
ся требуемой стабильности поддержания температуры в термостатах с двойным запасом.
Рис. 4 иллюстрирует стабильность поддержания температуры в термостате калориметра при температуре 25 °С, которая не превысила ±0,001 °С за два часа работы.
На рис. 5 показана стабильность поддержания температуры в основном термостате при температуре 1400 °С. Стабильность не превысила ±0,15 °С в час.
Рис. 6 иллюстрирует стабильность поддержания температуры в дополнительном термостате
25,0 10 25,009 25,008 25,007 25,006 25,005 25,004 Р 25,003 я 25,002 25,00 1 I 25,000 § 24,999 £ 24,998 24,997 24,996 24,995 24,994 24,993 24,992 24,99 24,990
№ УН» тгЬЙ ги" ч* V® 4 И №
Время, мин
о
й &
й а
о
к
а
40 1,20 40 , 0 40 , 0 400,90 400,80 400,70 400,60 400,50 400,40 400,30 400,20 400, 0 400,00 399,90 399,80 399,70 399,60 399,50 399,40 399,30 399,20
А Г\ / , 1 -.и 4
о о
Время, мин
Рис. 4. Иллюстрация стабильности температуры в термостате калориметра
Рис. 5. Поддержание стабильности температуры в основном термостате - Датчики и Системы • № 3.2014
при температуре 1100 °С. Стабильность не превысила ±0,15 °С в час.
Для удобства работы специалистами ОАО НПП "Эталон" разработано сервисное программное обеспечение, позволяющее одновременно управлять работой всех термостатов и их нагревателей с одного персонального компьютера (рис. 7).
Таким образом, частичная автоматизация специального государственного эталона "ГЭТ 67-75" в части управления термостатами завершена успешно. В настоящее время специалистами ФГУП "УНИИМ" ведутся работы по автоматизации процесса измерения удельной теплоемкости.
Блок управления БУ-7 показал хорошие результаты по регулированию и помехоустойчивос-
1100,70-, 1100,60 - г 3 з К
1100,50 -1100,40-
1100,30 -1100,20 -
1100,101100,00
о 1099,90 -g 1099,80 ->• 1099,70-& 1099,60 - 1 . 1 JMQ ... й. лшы ал/ IWjM /А/Л.
IflUhJl г» Щф г >
к 1099,50 -§ 1099,40 -
н 1099,301099,20
1099,10 1099,00
1098,90 1098,80
1098,70 с с с ^ с с с -— -у 0< 5 С 5 С н Э Of 5 с 5 с 0 о 5 с 5 с Н ^ 10 О" э с э с э н с 0 О Время, i э с э с н ^ О С О О" шн э с э с Э у- ¡э о< 2 с 3 с н ^ Г т 0 о 2 с 3 с э ^ 0 о э с э с н ^ 1 1/ 0 о 2 с 3 с э •I с э с
Рис. 6. Поддержание стабильности температуры в дополнительном термостате
Рис. 7. Общий вид программного обеспече
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.