V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Введение.

Согласно данным Международной комиссии по термодинамике и термохимии ежегодно появляется потребность в данных о свойствах 10-15 тыс. веществ и материалов. Но до сих пор нет единой завершённой теории, например, для жидкостей. Поэтому роль эксперимента приобретает здесь особую важность. Но даже создание высокопроизводительных методов комплексного измерения свойств не сможет решить эту проблему. Поэтому, с разработкой таких методов измерения надо развивать исследования, приводящие к созданию обобщающих методов расчёта и прогнозирования теплофизических свойств (ТФС). Во-вторых, непосредственно измеряя ТФС выпускаемой продукции на выходе из аппаратов химического производства, можно контролировать качество продукции и, изменяя параметры процесса, улучшать его. В-третьих, для обеспечения науки и техники достоверной справочной информацией о свойствах технически важных жидкостей, повышения общего уровня решения инженерных задач и качества проектирования.

Методы и средства.

Традиционно теплофизические задачи делятся на стационарного и не стационарного теплового режима. Прибор «Режим-1» основан на нестационарном импульсном иррегулярном режиме нагрева, в основе которого заложено измерение сопротивление датчика из, предпочтительно, платины в начале и в конце прямоугольного импульса. Далее, расчётным путём вычисляются ТФС. Наиболее близкими этому методу являются периодический (синусоидальный) иррегулярный тепловой режим и метод неразрушающего контроля, который основан на измерении сопротивления датчика в начале первого прямоугольного импульса и в конце последнего прямоугольного импульса. В этих методах за один эксперимент получают больше по количеству измеряемых величин, чем в простом импульсном режиме, однако разрешающая способность во времени параметром измеряемых для быстропротекающих процессов у них хуже. Для примера рассмотрим метастабильную органическую жидкость, в которой требуется определить температуру спонтанной нуклеации. Интегральный метод здесь не применим, поскольку он не может делать такие исследования, а метод иррегулярного теплового режима прекрасно подходит за счёт своего малого времени проведения эксперимента порядка 10^-4 с. Другой пример может быть приведён из области медицины – теплопроводность биоткани от -20°С до 0°С очень не линейна, следовательно чем больше точек можем дать из эксперимента, тем более точным будет результирующий аппроксимирующий график теплопроводности от температуры.

Метод проведения эксперментов по иррегулярному тепловому нагреву описан в американском стандарте ASTM C 1113 (2009г). Среди отечественных приборов известны установка Габитова Ф.Р. в Казанском государственном техническом университете, кафедра «Теоретических основ теплотехники» (патенты РФ: МКИ G01 N25/00, 11/00 «Способ для определения свойств жидкости или газа и устройство для осуществления способа», № 2209417, 2001; МКИ G01 N25/18 «Способ для определения свойств жидкости или газа и устройство для осуществления способа», № 2233440, 2002) и установка Спирина Г.Г. в Московском авиационном институте, кафедра «Физика». Обе эти установки используются в научных целях и похожи конструктивно. Но существуют и коммерческие продукты от иностранных компаний, основанные на ASTM C 1113.Это Untherm 3141 и QuickLine-30 от компании «Экофарм» выполнены как не портативные приборы и их погрешность измерения около 7% и воспроизводимостью измерений 5%. Аналогичным другим примером является зарубежный коммерческий продукт немецкой фирмы NETZSCH, где данный метод выполнен как опция в приборах LFA 427 (2800°C).

Прибор «Режим-1».

Общая функциональная схема прибора «Режим-1» и его интеграция показана на рисунке 1 ниже.

 

LAN

Компьютер (ПК)

Программа проведения эксперимента

Программа обработки результатов

Внешняя среда

 

 

Printt

Температура,давление,электрическое и магнитное поле, радиация

 

 

Датчик

 

 

Измеряемое вещество/материал

Портативный прибор «Режим-1»

 

Рис. 1 Функциональная схема эксперимента.

С ПК задаются условия проведения эксперимента (длительность импульса, время эксперимента, характеристики датчика и другое). Далее генератор импульсов в приборе подаёт их на датчик, а так же в течении каждого импульса производит опрос датчика его сопротивления. Затем данные поступают в ПК для обработки, далее либо выводятся на принтер, либо удалённо сбрасываются на сервер в интернете. Это открывает возможность удалённого проведения контроля качества по средствам автоматизированного измерения параметров изучаемого вещества. Под внешними условиями понимается постоянство или изменение: температуры (от -200 до +1200°C) со скоростью 200°/мин, давление (от 0,1-10 атм), постоянное или переменное электрическое или/и магнитное поля с различной частотой и мощностью, влияние ионизирующего излучения, невесомость. Прибор может быть выполнен во влагозащитном или пылезащитном корпусе. Аппаратная погрешность измерения сопротивления датчика менее 1% и воспроизводимость результатов не хуже 3% согласно расчётным данным по электрической схеме прибора. Планируется изготовить датчики к прибору имеют свои НСХ, соответствующие ГОСТ Р 8.625-2006. Есть возможность организовать передачу данных по одному из каналов- USB 2, RS-232, Wi-Fi. Проведение эксперимента возможно в малых объёмах жидкостей, газов и др in vivo (не нарушают целостность объекта). Прибор весит до 1кг и имеет габариты около 180*160*120 мм. К нему прилагается стандартный источник питания на 30В, 3А и весом около 2,5 кг. Режим эксплуатации подразумевает интервал температур ±35°С, однако сейчас все измерения проводятся при комнатных температурах.

Для создания подобных внешних условий, изменяющих свойства изучаемого объекта необходима дополнительная аппаратура, описание которой является отдельной темой. Это оборудование приобретается (берётся в аренду) отдельно под каждую конкретную серию испытаний. Однако, прибор с датчиком может использоваться и в «полевых условиях»: резистивный элемент (датчик) плотно прижимается (если он на подложке) или опускается в исследуемое вещество и производятся измерения не нарушающие целостность объекта измерения (in vivo).

Данный прибор с его программным обеспечением способен будет выполнять динамические измерения: теплопроводности, тепловой активности, тепловых потоков от времени, термического сопротивления, объёмной теплоёмкости (при не изменяющейся плотности тела), кинематической (динамической) вязкости жидкостей, а так же возможно измерение молекулярной массы полимерных и полимеризующихся жидкостей. Кроме того, можно будет определять температуры гомогкенной нуклеации органических жидкостей в метастабильном состоянии. Создаваемый прибор «Режим-1» и датчики к нему вместе с программным обеспечением может проводить измерения для твёрдых тел, жидкостей, газов, биоматериалов, пластичных материалов, магнитных и метастабильных жидкостей, материалов с плавящейся компонентой и другие, кроме порошкообразных и гранулированных, проводников материалов и веществ. Кроме того, есть возможность измерять анизатропные свойства объектов благодаря особому расположению датчиков.

На рисунке 2 показан вид прибора «Режим -1» (от 01.10.2012).

Рис 2. Техническая реализация «Режима-1» на момент тестирования программы управления прибором.

Прибор «Режим-1» начал создаваться по программе УМНИК. Этап SE практически завершён. Сейчас наступает этап START UP. В процессе которого будет создано юридическое лицо и активно будет развиваться программа расчёта описанных выше характеристик веществ. Объём рынка оценён в 75 штук, но надо учесть, что он заполнен на некоторую часть. Для коммерческого успеха нужны конкурентные преимущества. Для коммерческого успеха нужны конкурентные преимущества. Для прибора «Режим-1» я выделил следующие преимущества: портативность, многоканальные измерения (5 каналов), минимальная на рынке аппаратная погрешность (1%) и воспроизводимость результатов.

Заключение.

Области применения прибора:

1. Научные и метрологические задачи: исследование различных теплофизических свойств широкого класса веществ и материалов, не искажённые радиационным теплопереносом, а так же изучения влияния различных внешних факторов на теплофизические свойства веществ и материалов.

2. Нефтехимическая промышленность: дистанционное автоматизированное контролирование технологических процессов с целью оперативного управления качеством выпускаемой продукции.

3. Медицина: изучение биотканей для нужд криомедицины, судебной медицины; определение физиологических параметров в кожи и изучение комфортного состояния человека.

4. Образование: прибор можно использовать в учебном процессе в высших учебных заведениях в лабораторном практикуме и демонстрационном кабинете, а так же в дополнительном школьном и студенческом образовании.

5. Различные частные прикладные задачи: устройство можно использовать как анимометр со стандартными и не стандартными датчиками, а так же как автоматизированную станцию контроля за теплофизическими параметрами окружающей среды (промышленный контроль температуры в помещениях и в отдельных узлах или частях рабочего оборудования). В промышленности можно использовать прибор для выборочного контроля продукции или в собственной лаборатории качества.

Изначально прибор создавался только под научные исследования, но расчёт проведения НИОКР показал, что это слишком дорого (650 тыс. руб). Поэтому, наряду с научной работой, собираются коммерческие договора намерений на предмет проведения опытов и продажи прибора по ориентировочной цене 250 тыс. руб. Кроме того, предпринимаются попытки коммерциализовать данный продукт в РФ и других странах.

Готовятся документы на аккредитацию в Росстандарте, ФГУП «ВНИИМС» и ФГАНУ ЦИТиС, а так же заявка на патент (изобретение).

Библиографический список.

1. Патент МКИ G01 N25/00, 11/00, ЗайнуллинИ.М., Юзмухаметов Ф.Д., Габитов Ф.Р., Тарзиманов А.А., Шакиров Н.З. «Способ для определения свойств жидкости или газа и устройство для осуществления способа», № 2209417, 2001

2. Патент МКИ G01 N25/18, Габитов Ф.Р., Тарзиманов А.А., Юзмухаметов Ф.Д., Аляев В.А., Шингараев Р.Х. «Способ для определения свойств жидкости или газа и устройство для осуществления способа», № 2233440, 2002

3. www.ecopharm.ru

4. www.netzsch.com

5. Спирин Г.Г. Кратковременные измерения в стадии иррегулярного теплового режима и диагностика теплофизических свойств диэлектрических веществ и материалов на их основе: Дис.докт. техн. наук.; Москва, ИВТАН, 1986; 390с.

6. Габитов Ф.Р., Теплофизические свойства органических жидкостей в широком диапазоне температур, не искаженные радиационным теплопереносом: Дис. д-ра техн. наук: Казань, 2000, 535с.

7. Симанков Д.С. Прибор "Режим-1" для измерения теплофизических свойств различных веществ и материалов.// II Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ». – 2012г. – Институт холода и биотехнологий. – СПб (отмечен грамотой).

8. Симанков Д.С. Прибор "Режим-1" для измерения теплофизических свойств различных веществ и материалов.// Международная конференция «Авиация и космонавтика — 2012», -Москва, - 2012 9. Симанков Д.С. Прибор "Режим-1" для измерения теплофизических свойств различных веществ и материалов.// IV Всероссийский межотраслевой молодёжный научно-технический форум, - Москва, - 2012 (отмечен грамотой). 10. Симанков Д.С. Отчёты за 2 года по выполнению НИОКР по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2010 финального мероприятия конкурса МОСКОВСКИЙ МОЛОДЁЖНЫЙ СТАРТ-2010 “Московский молодёжный венчурный форум”» (аккредитованное мероприятие № 125) и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

The device "Режим-1"to measure thethermophysicalproperties of varioussubstances and materials.

SIMANKOV D.S.

Abstract

The program creates a portable device УМНИК "Режим-1" for the measurement of thermophysical properties of substances and materials. The device has a competitive advantage. List of the calculated properties of the measured object expanded.

Keywords:measuring, thermal conductivity , experiment, instrument.

Код для цитирования: Скопировать