ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 130-135
_ ЛАБОРАТОРНАЯ
- ТЕХНИКА
ПРОГРАММИРУЕМОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПЫТОВ С ПЕРЕГРЕТЫМ ЗОНДОМ В ИМПУЛЬСНЫХ РЕЖИМАХ
© 2004 г. С. Н. Васильев*, Д. В. Волосников, П. В. Скрипов, А. А. Старостин, А. В. Шишкин
Институт теплофизики УрО РАН Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106 Поступила в редакцию 15.09.2003 г. После доработки 17.12.2003 г.
Разработано устройство для опытов по управляемому нагреву тонкого проволочного зонда в исследуемом веществе с заходом в область короткоживущих (перегретых) состояний вещества. Описан режим термостабилизации зонда, импульсно нагретого до избранного значения температуры Тр^ > р). Программа итеративно подбирает коэффициенты функции нагрева для воспроизведения требуемого температурного режима с погрешностью менее 0.5% за 10-20 циклов. Продолжительность участка стабилизации в опытах составляла 1-10 мс при температуре зонда до 1000 К. Чувствительность компенсационной методики относительных измерений к относительным изменениям теплофизиче-ских свойств перегретого вещества составляет 10-3 при характерном времени 10 мкс.
В процессах тепловыделения с быстрым изменением температуры Т или давления р исследуемое вещество может попадать в область перегретых (относительно устойчивых) состояний [1-5]. На р-Т-диаграмме область перегретых состояний лежит выше линии равновесного сосуществования жидкости с паром Т/р) и/или линии начала терморазрушения вещества в квазистатическом процессе ТЛ(р). Время жизни вещества г*(Т, р) в этой области сокращается с повышением температуры и снижением давления. Свойства вещества в подобных короткоживущих состояниях, в частности его теплофизические свойства, обычно не известны. В некотором приближении они могут быть определены кратковременными методами джоулева разогрева зонда [2, 6, 7], использующими комбинации перегревающего и измерительного импульсов при выполнении условия 4хр < Г*, где ^ехр - время опыта с перегретым веществом.
Исследование процессов интенсивного переноса тепла существенно перегретыми веществами, в том числе при появлении в ходе опыта признаков фазовой и химической неустойчивости системы, требует совершенствования быстродействующих средств измерения, обеспечивающих автоматический подбор режима нагрева и измерение малых интегральных изменений теплового потока во времени. Сокращение продолжительности опыта дает возможность повысить степень перегрева (¿ехр < ¿*(Т)), соответствие режима нагрева выбранной модели теплообмена позволяет установить взаимосвязь измеряемых электрических величин с теплофизическими свойствами объекта, появление структурных изменений или
Институт математики и механики УрО РАН, Екатеринбург
нарушения плотности объекта проявляется в возмущении зависимости теплового потока от времени [8].
Такое исследование можно провести при совместном применении методов импульсного нагрева зонда и средств цифровой техники. Подобное сочетание позволяет осуществить управление режимом нагрева по избранной модели теплообмена зонда с веществом. Наша задача состоит в разработке программируемого устройства для управляемого нагрева зонда и отслеживания релаксации перегретого на его поверхности микрообъема образца в заданных температурных условиях, в том числе при Т > Т(р) и Т > Та(р).
В данной статье рассмотрены принципы построения устройства для быстрого выхода в квазиизотермический режим на малоинерционном проволочном нагревателе. Методика заключается в итеративном уточнении модельной функции нагрева для воспроизведения режима термостабилизации зонда, импульсно перегретого относительно температуры в объеме образца Т0. Устройство предназначено для исследования переноса тепла диэлектрическими (жидкими и химически отвержден-ными) материалами в области температур, недоступных для квазистатических методов. При отверждении зонд погружается в материал на начальной стадии реакции и имплантируется в объем образца.
Идея термостабилизации зонда (метод изотермического воздействия) успешно применяется в практике сравнительно медленного теплофизи-ческого эксперимента [9, 10]. Температура зонда оценивается по его термосопротивлению ).
МЕТОД ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ЗОНДА
Нами развиваются два метода быстрой стабилизации сопротивления импульсно разогреваемого зонда. Аналоговый метод, основанный на применении широкополосных систем с непрерывной следящей обратной связью (о.с.) для поддержания избранного значения температуры зонда Тр1 > Т0, доказал свою работоспособность [11]. Проведены измерения характеристик теплопереноса жидкостей
при быстро задаваемом значении Т (г > гр) = Тр1 вплоть до температуры спонтанного вскипания вещества Т*(г, р) [7]. Здесь Т - среднемассовая температура зонда, гр[ ~ 10 мкс - время нагрева зонда от исходной температуры Т0 до ее избранного значения. За время опыта гехр ~ 1 мс перегревался
слой жидкости толщиной порядка ,/аг ~ 10 мкм.
Применение только аналогового метода не может обеспечить полную постановку заявленного исследования. Известным ограничением этого метода является не вполне устойчивый характер работы широкополосных следящих систем высокой точности. Такие системы проявляют склонность к самовозбуждению при нелинейном характере изменений свойств объекта. Отметим в этой связи процессы спонтанного вскипания высокоперегретой жидкости или продуктов ее терморазрушения [1, 2, 7], сопровождающиеся резким изменением свойств объекта непосредственно в процессе управления. Интерес к исследованию веществ в экстремальных состояниях [12] и процессах микротехнологии [13] стимулирует поиск технических решений, дополняющих возможности аналогового метода. Создание цифрового устройства с итерационной процедурой подбора функции нагрева для воспроизведения заданной (в общем случае, произвольной) зависимости температуры зонда от времени позволяет воспользоваться компенсационными методиками для относительных измерений в перегретых веществах.
В данной статье представлен метод, основанный на цифровом синтезе функции нагрева по модели теплообмена со средой изотермического зонда, "мгновенно" перегретого до заданной температуры. Начальный нагрев зонда до температуры Тр1 осуществляется импульсом генератора напряжения, а дальнейшее поддержание значения Тр (г > гр) - путем изменения тока питания зонда от программируемого генератора тока. Взаимосвязь электрических величин с теплофизическими свойствами вещества определяется по известному решению задачи об изменении во времени теплового потока через поверхность изотермического цилиндра д(г) в неограниченную среду с нулевой температурой [14]:
I, A
1.00
0.75
0.50
0.25
a2/a1 = 0.33; X a1, X1
a1; X/X = 0.5
250
500
750
1000 t, мкс
Рис. 1. Зависимость тока нагрева, необходимого для термостабилизации зонда при избранной температуре, от времени. Расчет по соотношению (1). Параметрами являются коэффициенты теплопереноса ^ = = 0.1 Вт/(м • К) и а1 = 10-7 м2/с.
q (t) =
I ( t)Rt 2 nrl
4 XATf -an21
J 6
n r J
du
(1)
22 u [ J0 (ru) + Y0 (ru)]
где AT - величина перегрева зонда; r - радиус зонда; l - длина зонда; I(t) - ток через зонд сопротивлением RT = R(T = Tpl) = const; X и a - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности среды; J0, Y0 - функции Бесселя.
На рис. 1 показаны расчетные зависимости тока от времени, полученные при подстановке в (1) характерных для опытов значений: AT = 300 К, r = 10 мкм, l = 10-2 м, RT = 6 Ом, X1 = 0.1 Вт/(м ■ К), a1 = 10-7 м2/с. Видно, что при изменении значений X1 и a1 можно подобрать новую функцию термостабилизации I (t), последовательно "растягивая" или "сжимая" исходную функцию I1(t) = I(a1, X1).
Действительно, экспериментальные зависимости q(t, AT = const) и q(F0, AT ~ const), где F0 = at/r2 -число Фурье или безразмерное время, имеют высокую степень подобия после затухания переходных процессов от начального нагрева. Это обстоятельство позволяет сопоставлять коэффициенты теплопереноса локально перегретого вещества в серии опытов. При изменении T, p или состава образца необходимо найти два коэффициента приведения, отвечающих условию q2(t) = kq1(ct). Следуя (1), k определяет отношение произведений
0
XAT, а c - отношение значений a в двух опытах. Практически подбирают c и k из условия AT = const на участке t* > t > tpl в серии опытов с последовательным приближением.
В данном методе управление через кольцо о.с. заменено на итеративный подбор функции нагрева в серии измерений. Необходимость подбора обусловлена приблизительностью соответствия модели (1) и начальных значений параметров условиям опытов. Вклад в рассогласование вносят также наличие температурной зависимости теп-лофизических свойств объекта, ненулевого значения времени tpl, неидеальности геометрических характеристик зонда в реальных опытах. Действенность метода основана на воспроизводимости траектории нагрева зонда T(t) в исследуемом веществе при заданной функции тока и возможности создания быстродействующего генератора тока на основе современных средств микроэлектроники. Цифровой подход позволил избежать аппаратурных эффектов, присущих системам с быстродействующей о.с., и обеспечил возможность корректировки траектории нагрева зонда путем изменения коэффициентов функции воздействия (X, a) программными средствами. Область изменения переменных в опытах с термостабилизацией зонда составляла: Tpl ~ 350-1000 К, texp ~ 1-10 мс, tpl ~ ~ 0.01-0.1 мс.
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Исходная зависимость q(t) представлена в виде массива нормированных значений дискретной функции q(ti), из которых путем масштабирования и интерполяции формируется массив реальных значений. Для обеспечения требуемого отклика системы используется сложная функция нагрева, включающая в себя импульс начального нагрева и управляемый импульс предопределенного вида (1). Параметры импульса начального нагрева подбираются вручную. Также путем ручного подбора коэффициентов c и k осуществляется предварительная балансировка измерительного моста в опытах с неизвестным веществом. Перед началом процедуры автоматической балансировки сигнал разбаланса моста не должен превышат
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.