Модернизация экспериментального стенда по исследованию процессов тепломассопереноса в сверхтекучем гелии*
Работы выполнены в рамках проекта Российского Научного Фонда №19-19-00321 «Теплоперенос при кипении гелия-II в различных условиях: эксперименты и развитие теории» в 2020 году. (Подготовлено Пузиной Ю.Ю.)
1. Модули АЦП-ЦАП
Автоматическая система сбора и обработки результатов эксперимента позволяет анализировать получаемые данные непосредственно во время эксперимента. Для измерения падения напряжения на эталонном сопротивлении и нагревателе, а также значений температуры в характерных точках экспериментальной ячейки используется аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Основные технические параметры модулей 230 и 220 представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1. ZET 230 – модуль АЦП-ЦАП (с клеммной колодкой)
| Аналоговый вход (АЦП) |
| Количество входов | 4 синфазных, 4 дифференциальных |
| Количество разрядов АЦП | 24 |
| Частота преобразования по каждому каналу | от 1 кГц до 100 кГц |
| Динамический диапазон | 100 дБ |
| Максимальная неравномерность АЧХ в частотном диапазоне 10 Гц…20 кГц | 1 дБ |
| Максимальное входное напряжение | ±10 В |
| Входное сопротивление | 100 кОм |
| Защита входов при включенном питании | ±30 В |
| Защита входов при выключенном питании | ±30 В |
| Межканальное проникновение | -90 дБ |
| Входная ёмкость | 20 пФ |
| Аналоговый выход (ЦАП) |
| Количество выходов | 4 синфазных, 4 дифференциальных |
| Частота преобразования по каждому каналу | до 100 кГц |
| Максимальное значение выходного напряжения | ±10 В |
| Количество разрядов ЦАП | 24 |
| Цифровой вход/выход |
| Количество бит на вход/выход | 8 бит |
| FIFO-буфер | 16 кслов |
| Тип логики цифрового входа/выхода | TTL |
| Эксплуатационные характеристики |
| Габаритные размеры | 90 x 110 x 35 мм |
| Вес | 0,3 кг |
| Тип разъема аналогового входа/выхода (ответная часть входит в комплект) | DSUB DB-25 |
| Тип разъема цифрового входа/выхода (ответная часть входит в комплект) | DSUB DB-9 |
| Скорость при записи данных в реальном времени на ПК (через Ethernet) (для 1 канала) | 100 кГц |
| Объем энергонезависимой памяти (встроенный флэш-накопитель) | до 2 Гб |
| Суммарная частота дискретизации по всем каналам | 100 кГц |
| Скорость при записи данных в реальном времени на FLASH-карту (для 1 канала) | 100 кГц |
Таблица 2. ZET 220 – модуль АЦП-ЦАП (с клеммной колодкой)
| Аналоговый вход (АЦП) |
| Количество входов | 16 синфазных, 8 дифференциальных |
| Количество разрядов АЦП | 24 |
| Суммарная частота преобразования по всем включенным каналам | от 80 Гц до 8 кГц |
| Динамический диапазон | 120 дБ |
| Максимальная неравномерность АЧХ в частотном диапазоне 10 Гц…2 кГц | 1 дБ |
| Максимальное входное напряжение | ±10 В |
| Входное сопротивление | 100 кОм |
| Защита входов при включенном питании | ±30 В |
| Защита входов при выключенном питании | ±30 В |
| Межканальное проникновение | -90 дБ |
| Входная ёмкость | 20 пФ |
| Аналоговый выход (ЦАП) |
| Количество выходов | 2 синфазных, 1 дифференциальный |
| Суммарная частота преобразования по всем включенным каналам | до 200 кГц |
| Максимальное значение выходного напряжения | ±10 В |
| Количество разрядов ЦАП | 16 |
| Цифровой вход/выход |
| Количество бит на вход/выход | 8 бит |
| FIFO-буфер | 16 кслов |
| Тип логики цифрового входа/выхода | TTL |
| Эксплуатационные характеристики |
| Габаритные размеры | 90 x 110 x 35 мм |
| Вес | 0,3 кг |
| Тип разъема аналогового входа/выхода (ответная часть входит в комплект) | DSUB DB-25 |
| Тип разъема цифрового входа/выхода (ответная часть входит в комплект) | DSUB DB-9 |
Внешний вид модуля представлен на рис. 1
Рис.1. Аналого-цифровой преобразователь ZET220
Опция «Средства записи и воспроизведения ZETLab Registration» позволяет в реальном времени записывать сигналы с каналов модулей АЦП ЦАП. При воспроизведении сигналов из файлов все программы измерения, отображения и анализа сигналов из состава ZETLAB обрабатывают данные из файлов.
В состав опции входят следующие программы:
1. Запись сигналов;
2. Воспроизведение сигналов;
3. Многоканальный самописец.
Опция «Средства разработки виртуальных приборов ZETLab Studio» содержит аппаратные и программные средства для решения следующих задач:
- накопление данных;
- обработка и анализ данных;
- представление результатов;
- примеры программирования.
Опция «SCADA система ZETView» позволяет создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и затратами, осуществляя:
1. Добавление готовых компонентов и настройка их свойств,
2. Создание связей между компонентами,
3. Оформление внешнего вида приложения (настройка пользовательского интерфейса).
Пример данных источника питания (см.
Модернизация экспериментального стенда
по исследованию процессов тепломассопереноса в сверхтекучем гелии) представлены на рис. 2
Рис. 2 Значения напряжения и тока на источнике в шестнадцатеричной кодировке
Расшифровка значений представлена в таблице 3.
Таблица 3. Данные с источника питания
| | Offset (h) | 4 Byte Hex Data | | | | 4 Byte Hex Data | Reverse Order | Decimal Equivalent | Decimal/10k |
| HEADER | 0 | 52 | | | | 52 | 52 | | |
| | 4 | 0A | 43 | 0C | 0 | 0A | 00C430A | | |
| | 8 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | | |
| | 0000000C | 88 | 84 | 74 | 69 | 88 | 69748488 | | |
| Record Period (s) | 10 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0001 | 1,00 | |
| Record Points | 14 | C5 | 0 | 0 | 0 | C5 | 000C5 | 197,00 | |
| | 18 | C5 | 0 | 0 | 0 | C5 | 000C5 | | |
| CH1 Voltage 1 | 0000001C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 1 | 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 2 | 24 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 2 | 28 | 1B | 0 | 0 | 0 | 1B | 0001B | 27 | 0,0027 |
| CH1 Voltage 3 | 0000002C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 3 | 30 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 4 | 34 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 4 | 38 | 1C | 0 | 0 | 0 | 1C | 0001C | 28 | 0,0028 |
| CH1 Voltage 5 | 0000003C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 5 | 40 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 6 | 44 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 6 | 48 | 1B | 0 | 0 | 0 | 1B | 0001B | 27 | 0,0027 |
| CH1 Voltage 7 | 0000004C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 7 | 50 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 8 | 54 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 8 | 58 | 1B | 0 | 0 | 0 | 1B | 0001B | 27 | 0,0027 |
| CH1 Voltage 9 | 0000005C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 9 | 60 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 10 | 64 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 10 | 68 | 1C | 0 | 0 | 0 | 1C | 0001C | 28 | 0,0028 |
| CH1 Voltage 11 | 0000006C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 11 | 70 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 12 | 74 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 12 | 78 | 1B | 0 | 0 | 0 | 1B | 0001B | 27 | 0,0027 |
| CH1 Voltage 13 | 0000007C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 13 | 80 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 14 | 84 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 14 | 88 | 1B | 0 | 0 | 0 | 1B | 0001B | 27 | 0,0027 |
| CH1 Voltage 15 | 0000008C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 15 | 90 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 16 | 94 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 16 | 98 | 1C | 0 | 0 | 0 | 1C | 0001C | 28 | 0,0028 |
| CH1 Voltage 17 | 0000009C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 17 | 000000A0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 18 | 000000A4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 18 | 000000A8 | 1C | 0 | 0 | 0 | 1C | 0001C | 28 | 0,0028 |
| CH1 Voltage 19 | 000000AC | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 19 | 000000B0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Voltage 20 | 000000B4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 | 0 |
| CH1 Current 20 | 000000B8 | 1B | 0 | 0 | 0 | 1B | 0001B | 27 | 0,0027 |
2. Обработка результатов экспериментов
на примере серии Exp0807*
В результате измерения и обработки данных получается набор временных зависимостей характерных параметров: давление в сосуде Ps, Па; температура на нагревателе Th, К; температура жидкости Ts, К; напряжение U, В и сила тока I, А на нагревателе (снимается с помощью АЦП и записывается в файл); на основании последних величин рассчитывается тепловая нагрузка нагревателя qw, Вт/м2 (см. табл. 4).
На основании раскадровки видеозаписи строится зависимость радиуса паровой пленки от времени (рис. 3). В качестве масштаба выбирается размер нагревателя (4 мм).
Рис. 3. Пример кадра экспериментальной серии Exp0807
На рис. 4 представлена зависимость размера паровой пленки от времени для экспериментальной серии Exp0807.
Рис. 4. Зависимость толщины паровой плёнки от времени
На рис. 5 представлена зависимость тепловой нагрузки нагревателя от времени. Нагрузка, подаваемая на нагреватель в данной серии, была не постоянной, так как в ходе эксперимента контролировалась температура нагревателя по показаниям термодатчиков, расположенных внутри ячейки.
Рис. 5. Зависимость удельной нагрузки нагревателя от времени
На рис. 6 и 7 представлены зависимости температуры нагревателя и температуры жидкости в разных точках экспериментальной ячейки.
Рис. 6. Зависимость температуры нагревателя от времени.
Рис. 7. Зависимость температуры жидкости от времени.
Уровень жидкого гелия на момент начала эксперимента составляет 450 мм. Температура жидкого гелия 1.76К. В 15:15:20 происходит подача напряжения 20 В на нагреватель. Наблюдается равномерный рост температуры до 1.94К. Образование паровой пленки происходит примерно на 40-ой секунде проведения серии. Температура нагревателя возрастает до величины 24K. Температура жидкости возрастает вплоть до перехода
через λ-точку, после чего нагрузка нагревателя снижается.
3. Система фильтрации гелия
Система предназначена для наиболее полной защиты откачиваемой системы от паров рабочей жидкости вакуумных насосов.
а) Криогенный фильтр заливного типа – 2 шт
Тип криогенного фильтра заливного типа: закрытый (с фланцем сверху)
Основные материалы конструкции: немагнитная нержавеющая сталь AISI 316L
Объем заливаемого жидкого азота, л: 4
Геометрические размеры:
Диаметр внутренней колбы фильтра, мм: не менее 100
Высота внутренней колбы фильтра, мм: не менее 500
Диаметр внешнего цилиндра, мм: не более 200
Высота внешнего цилиндра, мм: не более 800
Разность внутреннего диаметра внешнего контура фильтра и внешнего диаметра внутренней колбы (для заливки азота), мм: не менее 45
Шероховатость внешней и внутренней поверхности не более: Ra 1,4
Конструктивные и функциональные особенности
Тип заливной горловины: тонкостенная труба
Герметичность криогенного фильтра по гелию, уровень течи, м3·Па/с: не более 10–9
Время беспрерывной работы без доливки жидкого азота, час: 24
Конструктивные особенности фланцев:
1) Тип: KF50;
2) расположены под углом 180 градусов, горизонтально;
3) фланец для подключения к насосу НВЗ-20, установленному у заказчика, расположен в нижней трети фильтра;
4) фланец для подключения к фильтруемому объему расположен в верхней трети фильтра;
5) фильтр крепится за фланец для подключения к фильтруемому объему
б) Клапан шаровой ручной KF50 – 2 шт
Назначение: Обеспечение отсоединения фильтра от насоса для возможного его отключения с целью снижения вибраций
Типы фланцев для подключения KF50
в) Сильфон гибкий – 2 шт
Материал изготовления сильфона: нержавеющая сталь
Длина сильфона, мм: 2500
Ду (условный проходной диаметр) сильфона, мм: 50
Тип фланцев: KF50
г) Переходник с фланца KF50 на фланец насоса НВЗ-20 – 2 шт
Назначение: представляет собой переходник с фланца сильфона на фланец насоса НВЗ-20, установленного у Заказчика
Герметичность: должен обеспечивать герметичность по гелию
д) хомут KF50 – 8 шт
Материал изготовления: алюминий
е) Уплотнение KF50 в сборе – 8 шт
Материал центрирующего кольца: нержавеющая сталь
Материал уплотнения: витон
Все соединения системы должны обеспечивать герметичность системы, быть унифицированными, взаимозаменяемыми и соответствовать международным стандартам герметичных соединений ISO.
На рис. 8 показан внешний вид экспериментального стенда после оборудования двухконтурной системой вакуумной откачки. На рис. 9 показано обмерзание ловушек при проведении эксперимента, когда внутри заливается жидкий азот для фильтрации паров гелия от рабочей жидкости насосов.
Рис. 8. Внешний вид экспериментального стенда
Рис. 9. Азотные ловушки при проведении эксперимента
После установки двухконтурной системы вакуумной откачки с новой системой фильтрации гелия удается поддерживать постоянное значение давления пара в сосуде и, соответственно предотвращать переход гелия в нормальное состояние при перегреве относительно λ-точки (см. рис. 10).
Рис. 10. Зависимость давления от времени в ходе экспериментов.
________________________
* Володин И.В. Анализ экспериментальных данных по кипению гелия-II в стеснённых условиях. // Выпускная квалификационная работа бакалавра, М.: МЭИ, 2021 – 49с. (научный руководитель – Пузина Ю.Ю., консультант – Ячевский И.А.).
P V Korolyov, I A Yachevsky and I V Volodin Boiling of He-II on a cylindrical heater inside a porous shell with constant operation condition // Journal of physics. Conference series. 2021
Следующая страница: Модернизация экспериментального стенда по исследованию процессов тепломассопереноса в сверхтекучем гелии
| 