ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ ТЕРМОКАМЕРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ГРУНТЕ

Полезная модель относится к устройствам для моделирования процессов теплопереноса в грунте и предназначена для исследования влияния физико-механических характеристик свойств грунта и параметров окружающей среды на теплообмен в грунтовом массиве в лабораторных условиях.
Из существующего уровня техники известно устройство для измерения теплопроводности твердых материалов, включающее в себя измерительный блок, состоящий из измерительной ячейки с входящими в нее нагревателем, термопарами, калиброванными медными теплоотводами, на торцы которых нанесен легкоплавкий материал с известным коэффициентом теплопроводности, и измеряемым образцом, источника питания нагревателя, теплостока, отличающееся тем, что для снижения погрешности измерения за счет обеспечения теплового равновесия все элементы блока помещены в единый корпус (RU 9965, МПК G01N 25/00, U1, опубл. 16.05.1999).
Недостатками данного устройства являются:
- невозможность обеспечения стабильных температурных параметров среды, окружающей исследуемый образец.
Известен также стенд для температурных испытаний на прочность светоизлучающих устройств транспортных средств, включающий в себя установочную базу с выполненным в базе посадочным местом для объекта испытаний, блок температурного воздействия, образованный блоком нагрева внутренней поверхности объекта испытаний, блоком нагрева внешней поверхности объекта испытаний, блоком охлаждения внешней поверхности объекта испытаний, содержащим располагаемые на некотором удалении от внешней поверхности объекта испытаний и распределяемые с определенным шагом над поверхностью объекта испытания сопла охлаждения внешней поверхности объекта испытаний, блок обеспечения, включающий в себя танк холодной среды, заполненный холодной средой, нагнетатель холодной среды, содержащий соединенное с танком холодной среды входное устье, канал управления и выходное устье, распределительный коллектор холодной среды, содержащий входное устье, соединенное с выходным устьем нагнетателя холодной среды, и выходные устья, соединенные с соплами охлаждения внешней поверхности объекта испытаний, блок управления, содержащий таймер циклов испытаний, образованный таймером длительности времени нагрева внешней поверхности объекта испытаний с выходным, соединенным с блоком нагрева внешней поверхности объекта испытаний, каналом, таймером длительности времени охлаждения внешней поверхности объекта испытаний, с выходным, соединенным с каналом управления нагнетателя холодной среды, каналом, отличающийся тем, что блок нагрева внутренней поверхности объекта испытаний и блок нагрева внешней поверхности объекта испытаний образованы электрическим термоизлучателем, располагаемым внутри объекта испытаний (изделия), температура холодной среды, заполняющей танк холодной среды, лежит в пределах от 0 до плюс 5 град, по шкале Цельсия (RU 51750, МПК G01N 33/38, G01N 25/00, G01M 11/08, U1, опубл. 27.02.2006).
Недостатком данного устройства является невозможность оценки пространственного распределения температуры в исследуемом объекте.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является испытательная термокамера, [Патент RU №2457470, МПК G01N 25, опубл. 27.07.2012 г.], которая предназначена для оценки температурных изменений параметров микромеханических модулей и содержит электронный блок управления, включающий в себя блоки питания, задания необходимых параметров, индикации, управляющий контроллер, и изотермический корпус с батареями из термоэлектрических модулей. Электронный блок управления выполнен в виде выносной конструкции и дополнительно содержит блок задания скорости изменения температуры и канал связи с управляющим компьютером стенда. Изотермический корпус выполнен в виде съемного узла, содержащего термоэлектрический агрегат с термостатируемой камерой, и основания со сквозным отверстием, в котором с уплотнением размещена соединительная муфта с закрепленным на ней поворотным столом, насаживаемая на вал приводного двигателя стенда и состоящая из трех коаксиально напрессованных друг на друга втулок.
Недостатками данного устройства являются:
- невозможность обеспечения различных температурных условий на противоположных сторонах исследуемого объекта;
- невозможность оценки пространственного распределения температуры в исследуемом объекте.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства, а именно: возможности обеспечения различных значений температуры, в том числе и отрицательной, на противоположных сторонах исследуемого образца грунта и последующий контроль пространственного распределения температуры в исследуемом образце грунта.
Указанный технический результат достигается тем, что в испытательной термокамере, содержащей электронный блок управления, включающий в себя блоки питания, задания необходимых параметров, индикации, управляющий контроллер и изотермический корпус, согласно заявляемому техническому решению, изотермический корпус содержит нижний и верхний блоки подогрева-охлаждения, каждый из которых состоит из нагревательного элемента, охлаждающего элемента и металлической пластины, причем нижний блок подогрева-охлаждения, служит основанием для испытываемого образца грунта, а верхний блок подогрева-охлаждения расположен таким образом, чтобы между ним и испытываемым образцом грунта была воздушная прослойка, кроме того, для контроля температуры воздуха, поверхности грунта и внутренних его слоев установлены термопары, подключенные через аналого-цифровой преобразователь к компьютеру.
Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема испытательной термокамеры.
Термокамера, содержит электронный блок управления 1, включающий в себя блоки питания 2, блок задания необходимых параметров 3, блок индикации 4, управляющий контроллер 5 и изотермический корпус 6. Для помещения внутрь изотермического корпуса 6 образца грунта 7 в предлагаемой полезной модели, предусмотрен нижний блок «подогрева-охлаждения», который состоит из нагревательного элемента 8, охлаждающего элемента 9 и металлической пластины 10. В верхней части термокамеры над поверхностью образца грунта 7 предусмотрена воздушная прослойка 11, изменение температуры которой обеспечивается верхним блоком «подогрева-охлаждения», который состоит из нагревательного элемента 12, охлаждающего элемента 13 и металлической пластины 14 для равномерного изменения температуры воздушной прослойки 11. Для контроля температуры воздуха, поверхности грунта и внутренних его слоев используются термопары 15, подключенные через аналого-цифровой преобразователь 16 к компьютеру 17.
Рассмотрим работу термокамеры. Образец грунта 7, поперечные размеры которого соответствуют поперечным размерам термокамеры, размещают в ней таким образом, чтобы нижняя сторона образца грунта опиралась на нижний блок «подогрева-охлаждения», состоящего из нагревательного элемента 8, охлаждающего элемента 9 и металлической пластины 10, а между верхней стороной образца грунта и верхним блоком «подогрева-охлаждения», который состоит из нагревательного элемента 12, охлаждающего элемента 13 и металлической пластины 14, имелась воздушная прослойка 11. Для контроля температуры воздушной прослойки, поверхности грунта и внутренних его слоев используются термопары 15, подключенные через аналого-цифровой преобразователь 16 к компьютеру 17. С помощью блока задания параметров 3, подключенного к блоку питания 2, входящих в состав электронного блока управления 1, устанавливается заданная температура отдельно нижнего и верхнего блоков «подогрева-охлаждения». Изменение температуры нижнего торца образца грунта происходит посредством теплообмена в зоне контакта нижнего торца образца грунта и нижнего блока «подогрева-охлаждения». Изменение температуры верхнего торца образца грунта происходит посредством конвективного и лучевого теплообмена в системе «верхний блок «подогрева-охлаждения» - воздушная прослойка - верхний торец грунта». Таким образом, при работе нижнего и верхнего блоков «подогрева-охлаждения» в исследуемом образце грунта имеет место пространственное изменение температуры грунта. Изменение температуры грунта фиксируется расположенными в термокамере термопарами 15. Аналоговый сигнал, получаемый от термопар 15, с помощью аналого-цифрового преобразователя 16 преобразуется в цифровой сигнал, который, в свою очередь, позволяет компьютеру 17 отображать значение температуры в местах установки термопар в удобном виде: численном или графическом.
Таким образом, использование предлагаемой испытательной термокамеры позволяет обеспечить возможность исследования в лабораторных условиях тепловых процессов в грунте в зависимости от его температуры и состава, а также от параметров окружающей среды, в том числе возможность исследования влияния влаги, содержащейся в грунте, на его теплопроводность, как при положительных, так и при отрицательных температурах.