Модернизация экспериментальной установки для измерения удельной теплоемкости на базе динамического калориметра ИТ-с-400

УДК 536.63

И. Р. Габитов, Д. Ю. Саламатов, Р. А. Шарафутдинов, З. И. Зарипов

МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ НА БАЗЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА ИТ-с-400

Ключевые слова: теплоемкость, ИТ-с-400,модернизация, автоматизация.

Описаны действия по модернизации экспериментальной установки для измерения удельной теплоемкости на базе динамического сканирующего калориметра ИТ-с-400, проведенные в лаборатории теплофизических свойств Казанского национального исследовательского технологического университета. Приведены изменения, коснувшиеся системы нагрева и системы сбора и обработки первичной информации.

Keywords: heat capacity, specific heat, modernization, automation.

The efforts on modernization of the experimental plant for heat capacity measurements(based on dynamic calorimeter IT-s-400) are presented, which have been applied in Kazan national research technological university.The changes made in heating system and primary data collecting and processing system are presented.

Введение

В лаборатории теплофизических свойств кафедры Теоретических основ теплотехники Казанского национального исследовательского технологического университета реализована экспериментальная установка для исследования удельной теплоемкости различных твердых, сыпучих, жидких, газообразных веществ, а также многокомпонентных систем, построенная на базе динамического сканирующего калориметра ИТ-с-400. Данная установка была доработана для возможности исследования теплоемкости при высоких избыточных давлениях. Схема экспериментальной установки, а также результаты проведенных исследований опубликованы в работах [1-6].

Говоря о самом приборе ИТ-с-400, можно отметить его высокую точность, надежность и простоту. Однако указанный прибор обладает и рядом недостатков, выделяемых в настоящее время в связи с возрастанием предъявляемых экспериментальным и лабораторным установкам требований автоматизации и информатизации. В частности: отсутствие какой-либо визуализации протекания процесса, недостаточная точность регулирования температуры и мощности нагрева. Настоящая статья посвящена попытке авторов модернизовать вышеописанную установку с целью лишить её некоторых недостатков.

Описание задач и способ их решения

В измерительной части калориметра установлены четыре термоэлектрических преобразователя ХА (рис. 1) 5-8, два из которых 5 и 7 служат непосредственно для измерения температуры противоположных сторон тепломера. Термопары 6 и 8 предназначены для наблюдения и последующего регулирования перепада температуры в адиабатической оболочке.

Для регистрации изменения температур по термопреобразователям, а также визуализации протекания процесса измерения было принято решение использовать АЦП/ЦАП Zet 220 компании Zetlab. Данное устройство имеет собственную SCADA систему сразличными полезными программнымиопера-торами, такими как регулятор, регистратор показаний термоэлектрических преобразователей и многоканальный осциллограф.

Рис. 1 - Измерительная часть калориметра

Использование данного прибора позволяет подключить к нему все 4 термопары и позволяет наблюдать и регистрировать в цифровом формате показания температуры всех термопреобразователей параллельно, что,несомненно, очень удобно и наглядно (рис. 2а). Используя, программу «многоканальный осциллограф» можно визуально наблюдать за изменением показаний датчиков в виде графика зависимости от времени с возможностью задания частоты опроса, количества каналов и интервала регистрации (рис. 2б).

б

Рис. 2 — Изображения использованных программных продуктов: а) оператор для регистрации показаний термопар, б) многоканальный осциллограф

Результат по измерению теплоемкости на данном этапе представляет массив данных, состоящий из двух столбцов - времени и соответствующей температуры опережающей и запаздывающей температур, дальнейшая обработка производится в программе Excel.

Что касается термопар 6 и 8, то для них важны не сами абсолютные значения температур в соответствующих точках, а их разность, которая определяет необходимость включения дополнительного нагревателя для поддержания равномерного температурного поля. Непосредственно в калориметре ИТ-с-400 регулирование реализовано следующим образом: сигнал рассогласования термопар 6 и 8 усиливается с помощью усилителя, затем усиленный сигнал поступает на обмотку мотор-редуктора с кулачком, который проворачиваясь в ту или иную сторону, в зависимости от величины сигнала, замыкает или размыкает переключатель. В момент замыкания контактов переключателя напряжение подается на нагреватель 4 (рис.1), что и способствует прогреву адиабатической оболочки. Такая схема является, шумной и к тому же недостаточно точной, так как ограничена двумя крайними положениями (вкл./выкл.).

Реализованный нами принцип регулирования представленна рис.3. Сигналы с термопар 6 и 8 (рис.1) поступают через АЦП 3 на персональный компьютер 4. С помощью программного оператора «Регулятор» разность сигналов сравнивается с заданной уставкой, после чего формируется управляющий сигнал, который усиливается с помощью блока управления тиристорами и симисторами 2 типа БУСТ компании ОВЕН и служит для питания дополнительного нагревателя. Такая схема регулирования позволяет проводить регулирование по различным законам (П, И, ПИ, ПД, ПИД), что в свою очередь повышает точность регулирования.

'VAAA/Vj

/VVVVNA

I—1

1 1 II 2 1

1-H

=Л 1 з U

ö

4

Рис. 3 - Схема регулирования нагрева и температуры_

Заключение

В настоящей работе авторы описали вариант модернизации экспериментальной установки по исследованию удельной теплоемкости на базе динамического калориметра ИТ-с-400. В частности была реализована система визуализации изменения температуры во времени с помощью АЦП и SCADAсистемы. Это позволило наблюдать за изменением значений температуры, как в численном, так и в графическом виде параллельно, а также регистрировать эти значения в цифровом виде, удобном для дальнейшей обработки.

Также была изменена схема регулирования температуры для поддержания равномерного температурного поля в адиабатической оболочке, что позволило снизить шумность и повысить точность регулирования.

Литература

1. Ф.Н. Шамсетдинов, З.И. Зарипов, Вестник Казан. технолог. ун-та, 1,57-62(2011);

2. С.А. Булаев, З.И. Зарипов, Г.Х Мухаметзя-нов,ВестникКазан.технолог. ун-та,.2. 224-230 (2003);

3. З.И. Зарипов, С.А. Булаев, Г.Х Мухаметзянов, Вестник Казан. Технолог.ун-та, 2. 203-207 (2003);

4. Р.Р. Габитов, И.Р. Габитов, Ф.Н. Шамсетдинов, Т.Р. Ахметзянов, Р.А. Усманов, З.И. Зарипов, Вестник Казан. Технолог. ун-та, 15, 9, 56-58 (2012);

5. Ф.Н. Шамсетдинов, И.Р. Габитов, Булаев С.А., Мухаметзянов Г.Х., З.И. Зарипов, Вестник Казан. технолог. ун-та.,15, 5, 51-53 (2012);

6. И.Р. Габитов, Р.Р. Накипов, Ш.А. Бикташев, З.И. Зарипов, Р.А. Усманов, Р.Д. Амирханов, Вестник Казан. технолог. ун-та.,17, 6, 113-116 (2014);

© И. Р. Габитов - аспирант каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, gabitov.ilgiz@gmail.com; Д. Ю. Саламатов -магистрант той же кафедры; Р. А. Шарафутдинов - к.т.н., доцент каф. физики и каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ; З. И. Зарипов - д-р техн. наук, проф. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, zufar_zaripov@mail.ru.

© I. R. Gabitov - post-graduate student of the Heat Engineering department, KNRTU, gabitov.ilgiz@gmail.com; D. Yu. Salamatov -master-course student of the same department; R. A. Sharafutdinov - PhD, assistant professor the department of Physics and the department of Engineering computer graphics, KNRTU; Z. I. Zaripov - doctor of technical sciences, professor of the Heat Engineering department, KNRTU, zufar_zaripov@mail.ru.