Устройство для измерения температуропроводности отдельных слоев искусственного сооружения

Устройство относится к техническим средствам измерений теплофизических характеристик и может быть использовано для неразрушающей оценки состояния земляного полотна и слоев основания и покрытия дорог. Задачей полезной модели является создание устройства, позволяющего исследовать теплофизические характеристики материалов земляного полотна, слоев основания и покрытия дорог, повышение эффективности его работы и обеспечение более объективной оценки функционального состояния слоев искусственного сооружения. Технический результат полезной модели состоит в повышении эффективности работы и обеспечении более объективной оценки функционального состояния отдельных слоев искусственного сооружения. Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве содержащем нагреватель постоянной мощности, датчик температуры, аккумулятор, выводы соединенные с цифровым омметром, с тумблером, амперметром и вольтметром, согласно полезной модели снабжено двумя дополнительными контактными датчиками температуры, которые соединены с цифровым измерителем температуры, который состоит из цифрового блока с контролером управления, соединенным с аналого-цифровым преобразователем и жидкокристаллическим индикатором, причем все элементы устройства установлены на тележке. Использование в устройстве двух контактных измерителей температуры позволяют получить значительно больший обхват исследуемой площади покрытия и, как следствие, объективную оценку его функционального состояния. При этом делается допущение о пространственной инвариантности величин температуропроводности и теплоинерционности. 2 илл.

Устройство относится к техническим средствам измерений теплофизических характеристик и может быть использовано для неразрушающей оценки состояния земляного полотна и слоев основания и покрытия дорог.

Известно устройство [Пат.2212653 РФ, МПК ⁷ G01N 25/18. Устройство для определения характеристик материалов / Медведев В.В., Троицкий О.Ю.] для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару и электронный блок обработки. Термопара расположена на поверхности исследуемого образца. Выход термопары подключен к входу электронного блока обработки.

Главный недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании импульсного нагрева необходима сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура. Это приводит к значительному удорожанию проведения измерений. Кроме того, большая сложность обработки результатов измерений приводит к снижению их точности и достоверности.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, [А.с. 1390555 РФ, МПК⁴ G01N 25/18. Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов / Мурамцев Ю.Л., Варфаломеев Б.Г.] который заключается в тепловом воздействии на поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела от точечного источника тепла, измерении времени достижения максимально избыточной температуры в заданной точке поверхности тела Т_max , измерении мощности источника тепла, при этом обеспечивают постоянную мощность источника тепла W_o до момента достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности, затем мощность источника тепла изменяют обратно пропорционально корню квадратному из времени и замеряют величину максимальной избыточной температуры в точке приложения источника тепла Т _оmax, a искомые теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам с учетом измеренных W _o, T_max и Т_оmax.

Недостатками этого способа являются:

1) устройство невозможно использовать для определения теплофизических характеристик строительных конструкции со значительными линейными размерами (в частности, к которым относят дороги), так как потребное время нагрева материалов в таких конструкциях при соблюдении условия исключения их термодеструкции весьма велико - более часа.

2) требуется усложнение аппаратурного оформления для обеспечения заданного закона регулирования мощности источника тепла, начиная с момента достижения максимальной избыточной температуры.

Все перечисленные устройства не используется для определения теплофизических характеристик земляного полотна и слоев основания и покрытия дорог.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является [А.с. 1352331 РФ, МПК⁴ G01N 25/18. Устройство для определения теплофизических характеристик почв в полевых условиях / Мехтиев А.Ш., Мамедов К.К., Абдуллаев М.А., Магеррамов А.П., Магсудов М.Г.], устройство, содержащее нагреватель постоянной мощности, датчик температуры, аккумулятор, выводы соединенные с цифровым омметром, с тумблером, амперметром и вольтметром. Оно работает следующим образом:

Датчик температуры вводится в почву и выдерживается около минуты, чтобы принять температуру почвы, затем тумблером включают константановый нагреватель и цифровым омметром измеряют сопротивление датчика температуры в два момента времени после нагрева. Затем определяют (вычисляют) по показаниям амперметра и вольтметра мощность нагревателя, а также теплопроводность, температуропроводность и объемная теплоемкость из приведенных соотношений.

Однако известное устройство обладает следующими недостатками:

1) недостаточно высокая надежность и точность вследствие субъективного контроля экспериментальных данных при измерении, приводящего к увеличению ошибки определения теплофизических характеристик.

2) так как измерение температуры производится в одной точке прибора, его применение невозможно для неоднородных материалов.

3) данное устройство не может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов с высокой плотностью, например, асфальтобетонов и цементогрунтов и т.д., из-за сложности заглубления нагревательного элемента.

Все это приводит к снижению эффективности работы устройства для измерения температуропроводности отдельных слоев искусственного сооружения, кроме того не обеспечивает объективной их оценки функционального состояния.

Задачей полезной модели является создание устройства, позволяющего исследовать теплофизические характеристики материалов земляного полотна, слоев основания и покрытия дорог, повышение эффективности его работы и обеспечение более объективной оценки функционального состояния отдельных слоев искусственного сооружения.

Технический результат полезной модели состоит в повышении эффективности работы и обеспечении более объективной оценки функционального состояния отдельных слоев искусственного сооружения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве содержащем нагреватель постоянной мощности, датчик температуры, аккумулятор, выводы соединенные с цифровым омметром, с тумблером, амперметром и вольтметром, согласно полезной модели снабжено двумя дополнительными контактными датчиками температуры, которые соединены с цифровым измерителем температуры, который состоит из цифрового блока с контролером управления, соединенным с аналого-цифровым преобразователем и жидкокристаллическим индикатором, причем все элементы устройства установлены на тележке.

Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема устройства, на фиг.2 приведена схема определения температуропроводности исследуемого материала.

Устройство состоит из преобразователя напряжения 1 для работы с аккумуляторными батареями 2, к первому входу которого подключен нагреватель постоянной мощности с выходным регулятором температуры 3, соединенным с помощью термостойкого силиконового кабеля 4 с нагревательным элементом с сенсорным датчиком 5 имеющего съемный наконечник 6. Нагреватель с выходным регулятором температуры имеет понижающий трансформатор 7, потенциометр 8 и электронную схему определения степени нагрева наконечника нагревательного элемента с индикатором температуры 9. Ко второму входу преобразователя напряжения подключен цифровой измеритель температуры 10, который имеет два входа для контактных датчиков температуры 11. Цифровой измеритель температуры состоит из цифрового блока с контроллером управления 12 соединенным с аналого-цифровым преобразователем 13 и жидкокристаллическим индикатором 14. Все элементы устройства закреплены на тележке 15.

На фиг.2 приведена схема определения температуропроводности исследуемого материала 16, на поверхности которого в точке контакта 17 с нагревательным элементом создается избыточная температура (тепловой поток). Степень нагрева исследуемого материала фиксируется в реперных точках 18, 19, 20, 21.

Устройство для определения теплофизических характеристик материалов земляного полотна и слоев основания и покрытия дорог работает следующим образом.

Нагревательный элемент с сенсорным датчиком 5 и съемным наконечником 6 устанавливается на поверхность измеряемого слоя материала. Одновременно, в соответствии с фиг.2 устанавливаются контактные датчики температуры 11.

Затем, с помощью источника напряжения (аккумуляторной батарей) 2 и регулятора напряжения 1 включается нагреватель постоянной мощности 3, и через его регулятор температуры по силиконовому кабелю 4 подается напряжение на наконечник 6 нагревательного элемента 5.

Также через регулятор напряжения включается цифровой измеритель температуры 10, к которому подключены два контактных датчика температуры 11.

Степень нагрева (избыточная температура) в точке контакта 17 нагревательного элемента с поверхностью исследуемого материала 16 задается с помощью регулятора температуры, через понижающий трансформатор 7 и потенциометр 8. Избыточная температура определяется через сенсорный датчик температуры через электронную схему определения степени нагрева наконечника нагревательного элемента и выводится на индикатор температуры 9.

Нагретый теплоноситель создает тепловой поток, который распространяется равномерно по всем направлениям исследуемого объекта. Контактные датчики температуры 11 фиксируют момент начала подъема температуры в области распространения теплового потока, в реперных точках 18, 19, 20, 21. Затем измеряется степень нагрева в реперных точках, которая через контактные датчики температуры приходит в блок цифрового измерителя температуры 10 в соответствующие моменты времени t, задаваемые с помощью цифрового блока с контроллером управления 12. Полученный сигнал с контактных датчиков температуры поступает в аналого-цифровой преобразователь.

Используя код, полученный аналого-цифровым преобразователем, в цифровом блоке управления вычисляется температура поверхности исследуемого объекта T, которая вместе с данными времени t, сохраняется в памяти блока управления и в последующем отражается на жидкокристаллическом индикаторе цифрового измерителя температуры.

По полученным значениям Т и t, вычисляется температурапроводность . Расчет производится по нижеприведенному алгоритму.

где R_T - сопротивление теплопередачи (теплоинерционность);

По информации о температуре и времени, поступающей из реперных точек (фиг.2) исследуемого квадрата, формируется база данных. На основании полученных значений приращений t и T вычисляется значение . Моменты времени t_18,19 и t_20,21 замеров температуры в реперных точках смещены на временной интервал t, то есть

t_18,19-t_20,21 =t

Иначе говоря, сначала температура поверхности замеряется в точках 18 и 19, а затем через интервал t - в точках 20 и 21, и так далее. Значение t можно принять за период повторения замеров в реперных точках.

О температуропроводности исследуемого слоя материала в пределах квадрата можно судить по изменению температуры в точках 18 и 19: T₁₈ и T₁₉. Тогда

и по изменению температуры в точках 20 и 21, а именно:

Эта процедура длится до тех пор, пока не будет определено значение величины .

Вычислительные формулы для определения указанной величины имеет следующий вид:

,

Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить эффективность измерения температуропроводности отдельных слоев искусственного сооружения и обеспечивает более объективную оценку функционального состояния покрытия.

Использование в устройстве двух контактных измерителей температуры позволяют получить значительно больший обхват исследуемой площади покрытия и, как следствие, объективную оценку его функционального состояния. При этом делается допущение о пространственной инвариантности величин температуропроводности и теплоинерционности.

Устройство для измерения теплофизических характеристик отдельных слоев искусственного сооружений, содержащее нагреватель постоянной мощности, соединенный с датчиком температуры, и аккумулятор, отличающееся тем, что устройство содержит преобразователь напряжения, связанный с упомянутым аккумулятором, к первому входу преобразователя напряжения подключен нагреватель постоянной мощности с выходным регулятором температуры, ко второму входу преобразователя напряжения подключен цифровой измеритель температуры, при этом устройство снабжено двумя дополнительными контактными датчиками температуры, которые также соединены с цифровым измерителем температуры, который состоит из цифрового блока с контроллером управления, соединенным с аналого-цифровым преобразователем и жидкокристаллическим индикатором, причем все элементы устройства установлены на тележке.