УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛАБОСЦЕМЕНТИРОВАННЫХ ПОРОД

max
Полезная модель относится к области геотермических исследований, а именно к измерению температуропроводности и теплопроводности горных пород в условиях высоких температур и давлений нестационарным методом линейного источника. Такой метод предполагает использование двух линейных зондов, помещенных в образец породы на определенном расстоянии r друг от друга. Один зонд, излучающий тепло - с линейным нагревателем и с термопарой Т1, другой измерительный зонд - с термопарой Т2. На нагревательный элемент излучающего зонда подается короткий калиброванный импульс напряжения, создающий тепловую волну. С началом импульса термопарами Т1 и Т2 начинается регистрация изменений температуры зондов. По этим значениям определяется время прохождения максимума тепловой волны от излучающего зонда к измерительному (τ). Температуропроводность α определяется по формуле:
0
1
0
1
Для определения теплопроводности напряжение на нагреватель подается более длительное время (порядка 2-3 минут). С началом нагрева начинается регистрация температуры термопарой Т1. Далее, на линейном участке роста температуры зонда, фиксируются времена τ, τ и соответствующие им температуры Т, Т. Используя полученные данные, теплопроводность λ определяется по формуле:
0
1
1
1
0
где q - удельный тепловой поток на единицу длины излучающего тепло зонда, Т - температура, соответствующая времени то после включения нагревателя, T - температура зонда в момент времени τ (τ>τ).
В настоящее время известно устройство для оперативного измерения температуропроводности слабосцементированных пород [1], содержащее двухигольчатый зонд и электронный измерительный блок. В известном устройстве [1] (фиг.1) в качестве датчиков температур в зондах применены терморезисторы, характеристики которых имеют ограничение по максимальной измеряемой температуре до +125°С, что делает невозможным их применение при измерении теплофизических свойств горных пород в случаях моделирования условий их естественного залегания, а именно измерений при высоких температурах (+200°С и выше). Терморезисторы, способные измерять такие высокие температуры имеют относительно большие размеры (единицы миллиметров) и высокую тепловую инерцию и при измерении быстротекущих процессов неприменимы. В таблице 1 приведены характеристики некоторых типов терморезисторов [2].
Термопары при широком диапазоне измерения температур могут иметь малые размеры (десятые доли миллиметров) и низкую тепловую инерцию, поэтому их применение в измерительных зондах целесообразно.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности получаемых результатов измерения теплофизических свойств горных при высоких температурах, соответствующих их естественному залеганию путем полиномиальной коррекции зависимости коэффициента чувствительности термопар от температуры. При этом, в связи с восприимчивостью термопар к помехам различного рода, которые могут вносить дополнительные погрешности в измерения, применена цифровая фильтрация сигналов. Цифровая фильтрация сигнала реализована алгоритмами медианной фильтрации и экспоненциального скользящего среднего. На фиг.3 приведены графики изменения температуры Т° с течением времени τ, показывающие особенности работы алгоритмов медианной фильтрации сигнала термопары (а) и фильтрации по методу экспоненциального скользящего среднего (б). Принципиальная особенность алгоритма медианной фильтрации заключается в подавлении импульсных помех в исходном сигнале (избирательность к одиночным резким импульсам), а особенность алгоритма экспоненциального скользящего среднего - в подавлении флуктуационных и относительно слабых помех.
В общем случае, ЭДС термопары (мкВ) описывается следующим линейным уравнением:
hot
cold
где S - коэффициент чувствительности термопары (мкВ/°С), T - температура горячего, рабочего, спая, a T - температура холодного спая термопары.
hot
Из формулы (3) определяется измеряемая температура T:
уст.
Коэффициент чувствительности термопары S зависит от температуры рабочего спая. На фиг.4 приведены экспериментальные данные отклонения измеренной термопарами температур на величину ΔТ в большую или меньшую сторону от фактически установленной в термостате Т На графике показано, что при линейном преобразовании ЭДС термопары в температуру по формуле (4), в которой не учитывается зависимость коэффициента S от температуры, погрешность измерения достигает более 0,5°С.
В совокупности с цифровой фильтрацией сигналов, повышение точности измерения температуры достигается учетом зависимости коэффициента чувствительности S термопары от температуры. Зависимость температуры горячего спая от ЭДС в таком случае представлена степенным полиномом [3]:
hot
hot
n
где T - температура горячего спая термопары, E - ЭДС на горячем спае термопары, порядок полинома n = 9, k - коэффициенты обратного преобразования термоЭДС взяты из [4, с. 72]. На фиг.4 показано, что погрешность определения температуры при полиномиальном преобразовании в совокупности с цифровой фильтрацией сигнала составляет не более ±0,08°С.
cold
cold
Для вычисления ЭДС холодного спая E по значению температуры T используется прямое преобразование термоЭДС степенным полиномом:
n
где d - коэффициенты прямого преобразования термоЭДС (порядок полинома n=9), взяты из [4, с. 65].
Преобразования по формуле (6) производятся для температур в диапазоне +15 - +30°С.
Алгоритм непрерывного вычисления температуры горячего спая сводится к следующему:
hot
cold
измеряется ЭДС с выхода термопары ΔЕ = E - E;
cold
измеряется температура T холодного спая термопары полупроводниковым датчиком температуры;
cold
по формуле (6) рассчитывается значение E;
hot
cold
вычисляется ЭДС горячего спая E = E + ΔЕ;
hot
по формуле (5) вычисляется температура T горячего спая.
Непрерывные регистрации температур зондов Т1 и Т2 передаются в персональный компьютер (ПК), где вычисляются температуропроводность и теплопроводность.
Устройство поясняется чертежами, на которых показано:
фиг. 1 - известное устройство для измерения теплопроводности и температуропроводности слабосцементированных пород. В качестве датчиков температуры применяются терморезисторы [1].
Фиг. 2 - схема заявленного технического решения устройства для измерения теплофизических свойств слабосцементированных горных пород.
Фиг. 3 - графики изменения температуры Т° поясняющие особенности и эффективность работы алгоритмов медианной фильтрации сигнала термопары (а) и фильтрации по методу экспоненциального скользящего среднего (б).
уст.
Фиг. 4 - экспериментальные кривые отклонения измеренной термопарами температуры на величину ΔТ от фактически установленной в термостате Т при линейном и полиномиальном преобразовании ЭДС термопары в температуру. Пример осуществления полезной модели.
Для подтверждения технического результата изготовлен опытный образец устройства для работы с образцами при высоких температурах. Экспериментальная проверка устройства показала его работоспособность и расчетную точность на примере измерения теплофизических свойств образцов сухого и влагонасыщенного песка в зависимости от температуры. Результаты экспериментов хорошо согласуются с литературными данными. Средние значения и тренд их изменения в зависимости от температуры у полученных характеристик образцов песка практически соответствуют результатам ранее проведенных исследований, основанных на других методах измерения. Погрешность измерения теплофизических свойств в зависимости от температурных условий лежит в интервале 5÷10%, что приемлемо для нестационарного метода линейного источника.
[1] Казанцев С.А., Фадеева И.И. Устройство для оперативного измерения температуропроводности слабосцементированных пород//Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. контр, (г. Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.): Междунар. науч. конф. "Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология": Сб. материалов в 3 т. - 2015. - Т. 2. - С. 82-85.
[2] Шефтель И.Т. Терморезисторы. М.: Наука, 1973
[3] Temperature-Electromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types Based on the ITS-90. Nat. Inst. Stand. Technol. Monograph 175; 1993. - 630 p.
[4] ГОСТ P 8.585-2001 ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования.