Создание комплекса аппаратно-программных средств и исследование нестационарных тепловых процессов в системах с нормальным и сверхтекучим гелием тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

13-95-291

На правах рукописи УДК 536.24.08

. МИНАШКИН Владимир Фёдорович

и*

СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСА АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ С НОРМАЛЬНЫМ И СВЕРХТЕКУЧИМ ГЕЛИЕМ

Специальности: 01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований, 01.04.09 — физика низких температур

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Дубна 1995

Работа выполнена в Лаборатории сверхвысоких энергий Объединённого института ядерных исследований.

Научные руководители: доктор технических наук, старший научный сотрудник кандидат технических наук старший научный сотрудник

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Писарев А-Ф.

кандидат технических наук,

доцент'МИ ФИ Харитонов B.C.

Филиппов Юрий Петрович Инкин Виктор Дмитриевич

Ведущее предприятие - Институт физики высоких энергий, Г.Протвино.-

Защита состоится ""^екаЬрЯ 1995г. на заседании диссертационного совета Д-047.01.02 в Лаборатории высоких энергий Объединённого института ядерных исследований, г. Дубна, Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ. Автореферат разослан 'уg "fltfycTtf 1995г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Лихачёв М.Ф.

В> o8i< fOic J /. 03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последние годы отмечены активным изучением проблемы нестационарной теплопередачи в системе "твёрдое тело - криогенная жидкость". Это вызвано не только дальнейшим развитием теории переноса тепла, но и потребностями передовых технологий: энергетики, космической и ускорительной техники. Например, при эксплуатации современных ускорителей возможна спонтанная генерация нормальной зоны в сверхпроводящих обмотках магнитов и их разрушение, в связи с чем количественная информация о нестационарной теплопередаче к жидкому гелию становится весьма важной. Кроме того, довольно высокая стоимость сверхпроводящих магнитов и систем криогенного обеспечения побуждает разработчиков к предварительной оптимизации этих устройств, проводимой на моделях. Что касается имеющихся экспериментальных данных по нестационарной теплопередаче к жидкому гелию, то приходится признать их недостаточность, неполноту, зачастую и невысокую точность. Особо следует отметить, что влияние формы теплового импульса и геометрии эксперимента* на динамику тепловых процессов в нормальном и сверхтекучем гелии практически не изучено, что связано с отсутствием соответствующего экспериментального оборудования и методик организации экспериментов. Таким образом, работа по созданию экспериментального оборудования и получению на нём экспериментальных данных будет актуальна.

Цель работы состояла в разработке, создании и практическом применении комплекса аппаратно - программных средств (КАПС) для получения экспериментальных данных по динамике тепловых процессов в нормальном и сверхтекучем гелии с учётом следующей особенности: в качестве экспериментальных образцов должны использоваться тепловыделяющие элементы (ТВЭ), поверхности которых служат одновременно и малоинерционными датчиками температуры. Для нормального и сверхтекучего гелия КАПС должен обеспечивать проведение исследований по влиянию формы теплового импульса и геометрии эксперимента на характеристики нестационарной теплопередачи как в режимах нагрева, так и охлаждения.

# Здесь и далее по тексту под геометрией эксперимента понимается: именно геометрия твёрдого тела (плоская, цилиндрическая, сферическая); конфигурация теплопередачи (жидкость в большом объёме - нагреватель, жидкость в стеснённых условиях - нагреватель); распределение энерговыделения по объёму/поверхности нагревателя.

Научная новизна работы

- Впервые в исследованиях характеристик нестационарной теплопередачи в системах с нормальным и сверхтекучим гелием при применении экспериментальных образцов на основе ТВЭ в виде малоинерционных нагревателей - термометров с помощью входящего в состав КАПС специально созданного усилителя мощности обеспечено постоянство во времени мощности джоулева тепловыделения в ТВЭ. Для этих условий решена задача измерения температуры тепловыделяющей поверхности как во время нагрева, так и в процессе охлаждения с контролем подводимой мощности. Предложена и создана многоканальная электронная система и пакет программных средств, которые позволяют исследовать пространственные характеристики нестационарной теплопередачи. Внедрены оригинальные методики с соответствующей аппаратурой и программным обеспечением для подготовки системы к экспериментам и проведения исследований.

- Для организации связи аппаратуры криогенного стенда с удалённой (до 500 метров) ЭВМ в условиях сильных электромагнитных помех разработаны и созданы структура информационных сообщений и комплект аппаратуры, обеспечивающий обмен информацией последовательным кодом по одному коаксиальному кабелю с использованием широтно - импульсной модуляции с производительностью линии связи до 10 Кбайт/с. Высокая помехозащищённость при передаче информации достигается модуляцией сигналов, их синхронизацией, структурой информационного сообщения, аппаратно - программным контролем проверки правильности передаваемого сообщения (контроль по чётности и по количеству импульсов). Число крейтов КАМАК, подключаемых этой аппаратурой, составляет от одного до четырёх.

- В исследованиях нестационарной теплопередачи в системе "твёрдое тело - нормальный гелий" при нагрузках, близких к стационарной величине кризиса кипения, обнаружена область тепловой неустойчивости, в пределах которой наблюдается ряд нелинейных эффектов.

Практическая ценность работы Экспериментальные данные о нестационарных тепловых процессах под воздействием теплового - импульса трапецеидальной формы при регулируемой длительности переднего фронта послужили основой для построения карты режимов нестационарной теплопередачи в нормальном гелии.

На основе экспериментальных данных по исследованию нестационарной теплопередачи к вынужденным- потокам двухфазного гелия от шестиканального образца количественно оценено различие в

интенсивности процесса теплоотдачи для разных характерных зон, что позволяет получать информацию о пространственных характеристиках нестационарной теплопередачи, например, при расслоённом режиме течения.

Экспериментальные данные по динамике тепловых процессов в нормальном и сверхтекучем гелии в режимах нагрева и охлаждения могут быть полезны при анализе условий генерации, эволюции и коллапса нормальной зоны в сверхпроводниках. На основе полученных данных установлен линейный характер

зависимости критической энергии образования квантовых вихрей от

/я /

размера канала со сверхтекучим гелием.

В настоящее время разработанная электронная аппаратура и пакет программных средств продолжают использоваться для дальнейшего углубления и расширения исследований по нестационарной теплопередаче к нормальному и сверхтекучему гелию. Кроме того, аппаратура связи с удалённой ЭВМ также использовалась и в системе управления ускорителя

КУТИло/

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах ЛСВЭ ОИЯИ, на 6-й Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ" (Новосибирск, 1981 г. ), на Международном симпозиуме "Теплообмен в криогенных системах" (Харьков, 1985 г. ), на 13 Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий (Новосибирск, 1987 г. ), на конференции по криогенной технике (США, 1990 г. ). По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 84 страницы текста, 38 рисунков и список литературы из 38 наименований.

Содержание диссертации В первой главе кратко рассматривается организация

экспериментальных исследований нестационарной теплопередачи в нормальном (Hei) и сверхтекучем гелии (Hell). Исследование нестационарных тепловых процессов большей частью сводится к получению при разных условиях экспериментов (ориентации образца, его геометрии, материалов, давления в Не и т.д.) зависимостей вида AT(t,Q)=TnoB(t,Q)-TJK, где t - время, Q - плотность теплового потока на единицу тепловыделяющей поверхности (в свою очередь Q=Q(t)), тпов - температура тепловыделяющей поверхности, тж - средняя температура жидкости в рассматриваемом объёме (рис.1). Особо следует отметить,

в

—_ГЕЛИЙ _—__ — — в — тж —

дт

ь

I

— И I г -

СТРОБЫ В АЦП

t

ь

ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

НАГРЕВ ОХЛАЖДЕНИЕ

(углеродная плёнка) «--

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ

Рис-1. Пример организации исследований нестационарной теплопередачи.

что для корректного определения причины изменения температуры поверхности ТВЭ в ряде экспериментов требуется обеспечить стабилизацию мощности тепловыделения ТВЭ, т.е. использовать мощность тепловыделения в качестве параметра.

Построение аппаратуры и разработка соответствующего программного обеспечения в значительной мере определяется типом и характеристиками используемых экспериментальных образцов. В исследованиях, проводимых на криогенном стенде ЛСВЭ . ОИЯИ, предпочтение отдано экспериментальному образцу, построенному на основе ТВЭ, у которых тепловыделяющая поверхность выполнена из тонкой углеродной плёнки, которая служит • одновременно малоинерционным нагревателем и высокочувствительным

термопреобразователем. Конструктивно образец представляет собой вакуумированную керамическую трубку с напылённой на её поверхность плёнкой. Сопротивление плёнки в рабочем диапазоне температур (1.5+5.5 К) составляет от 6 кОм до 1 кОм и обладает отрицательным температурным коэффициентом, время тепловой реакции менее 100 не. В зависимости от решаемой задачи экспериментальный образец может иметь от одного до шести тепловыделяющих элементов, что даёт возможность исследовать пространственные характеристики теплопередачи (например по длине и углу ТВЭ ).

В заключительной части первой главы поставлены задачи для отдельных частей КАПС для исследования нестационарной теплопередачи с учётом характеристик ТВЭ и планируемых экспериментов. При решении

этих задач учитывалась необходимость максимального использования уже разработанной аппаратуры и поэтапный ввод системы в эксплуатацию с целью скорейшего получения экспериментальных данных. Кроме того, для выбора оптимальных режимов работы и контроля в системе предусматривалась возможность вывода предварительных результатов исследования в удобном виде и записи данных на долговременное устройство хранения для последующей обработки.

В планируемых экспериментах предполагалось получать в ТВЭ тепловые потоки с удельной мощностью в диапазоне е=600-*-60000 Вт/м^. При этом необходимо производить измерение температуры тепловыделяющей поверхности ТВЭ как в режиме нагрева, когда выделяется значительная мощность, так и в режиме охлаждения, начиная через несколько микросекунд после снятия мощности. Исходя из размеров теплоотдающей поверхности . применяемых экспериментальных образцов и их сопротивления электрическому току, это требование приводит к необходимости использования устройства питания ТВЭ с выходной мощностью до 40 Вт. В большинстве случаев стандартная управляющая аппаратура'имеет маломощные выходные сигналы и поэтому в качестве устройства питания должен использоваться усилитель мощности, обеспечивающий усиление управляющего сигнала до необходимого уровня. Для выполнения основного требования к аппаратуре - обеспечения постоянства рассеиваемой в ТВЭ джоулевой мощности - усилитель мощности (УМ) должен снабжаться режимом стабилизации мощности с точностью не хуже 4%. При этом минимально допустимый фронт импульсов мощности на нагрузке не должен превышать 20 мкс с длительностью самих импульсов мощности в пределах от 100 микросекунд до десятков минут. Кроме этого, в УМ необходимо иметь выходные нормированные сигналы, амплитуда которых несёт информацию о величине нагрузки и уровне мощности в ней. Эти величины должны измеряться с погрешностью не более 4%■ Для повышения надёжности работы системы в целом УМ должен обладать эффективной защитой от перегрузок.

Аппаратура управления должна, в основном, выполнять две функции: задание параметров импульсов мощности, и организация измерения сигналов, несущих информацию о величине сопротивления ТВЭ (т.е. температуры теплоотдающей поверхности) и уровне мощности в ней в определённые моменты времени. При этом требуется интервал между измерениями от 30 мкс и более; число экспериментальных точек за один цикл "нагрев-охлаждение" может достигать 8*10^.

В системе требуется предусмотреть также устройства, обеспечивающие необходимые точности задания уровня мощности и определения величины сопротивления ТВЭ в условиях эксплуатации

многоканальной системы. Таким образом, в составе электронной системы должны также находится высокоточное сопротивление, имитирующее сопротивление ТВЭ, эталонные приборы для калибровки и устройство, обеспечивающее согласование этих вспомогательных элементов с другими частями электронной системы.

Оптимальное использование аппаратуры системы при выполнений поставленных задач может быть достигнуто только в результате применения специально разработанных методик и программного обеспечения экспериментов. С этой целью необходимо произвести анализ режимов питания ТВЭ, разработать методики калибровки управляющих и измерительных каналов, а также методику подготовки системы в целом и программного обеспечения для исследования влияния параметров импульса мощности на характеристики нестационарной теплопередачи.

В связи с тем, что на первом этапе создания на криогенном стенде ЛСВЭ ОИЯИ системы для исследований из-за специфики этого стенда аппаратура системы и ЭВМ, управляющая этой системой, с периферийным оборудованием находились в разных помещениях с расстоянием между ними до 100 метров, требовалось обеспечить надёжную связь между ними в условиях значительных электромагнитных помех.

Во второй главе приведена информация о структуре и составных частях разработанной и созданной системы (рис.2) на криогенном стенде ЛСВЭ ОИЯИ для исследований динамики тепловых процессов. В системе условно можно выделить несколько частей:

- усилители мощности (УМ1-*-УМ6), которые усиливают по мощности управляющие сигналы и формируют нормированные сигналы, несущие информацию о величине нагрузки (RTB3) и выделяющейся в ней мощности;

- подсистема управления (ГУИ, ГАС, АЦП), которая согласно разработанным алгоритмам задаёт мощность в ТВЭ с различными законами изменения во времени, а также организует в определённые моменты времени измерение сопротивления этих ТВЭ;

- аппаратура калибровки (БА, ЦВ, которая обеспечивает необходимые параметры системы периодической калибровкой управляющих и измерительных каналов по разработанным методикам;

- ЭВМ с периферийным оборудованием и аппаратурой связи, которая управляет элементами системы.

Одним из основных элементов системы является усилитель мощности (рис.3). В зависимости от решаемой задачи их число может быть от одного до шести. Конструктивно УМ выполнен в механике стандарта КАМАК, что облегчает изготовление и совместимость УМ с применяемой на криогенном стенде аппаратурой в стандарте КАМАК.

[аппаратура связи

-1 ПЭВМ |--

лт

графопостроитель

интерфейс ЦВ 1-»овей

вольтметр

Т

имитатор ТВЭ

I

Н интерфейс БА ")-—| блок адаптера (БА) ЁГ*

С

АЦП

__генератор управляющих импульсов (ГУИ)

генератор __ аналоговых сигналов (ГАС)

усилитель мощности 1

усилитель мощности 6

гелии

1

магистраль КАМАК Рис. 2. Структурная схема системы.

шестиканальныи экспериментальныи образец

нш-

"■■ни......................*.........

УМ состоит из пяти блоков, соединённых шиной, которая расположена на задних панелях блоков. Управление работой УМ, связь с нагрузкой и съём сигналов, пропорциональных току и напряжению в нагрузке, осуществляется с передних панелей блоков. Особенность УМ состоит в том, что он имеет два режима стабилизации - мощности и напряжения. На нагрузке 1*6 кОм диапазон выходных напряжений УМ составляет от 0+100 В и 0*200 В с рабочими областями 20*100 В и 100*200 В соответственно. Максимальная выходная мощность УМ - 40 Вт, нестабильность мощности ¿4%. Минимальная длительность фронтов импульсов мощности в режиме стабилизации мощности не превышает 20 мкс, а в режиме стабилизации напряжения ¿10 мкс. Максимальная длительность импульсов не ограничена (определяется только условиями

в Бл НЗ о

V '

V ! Й V I • •••••

ПЕРЕГРУЗКА

ВЫХ #

В* ВЫХ вх

© о ©

131

од

• N03

Яп

Бл С

■41+81

^ е

1 * у' V

€ ® @ е

2 1 1' I'

О О д о

3 Ст С* С ® ® Ч О

4 5 в 7

О V О, О,

Ям

® Бл УМ в

РАБОТА 0-5 В

С $ НОРР

ВХ УПР I внл

0 0*50 £ г

о и ;

0* 2008 0 Ун '

«Уд е Уш

V I Р

© € ) ©

^ N03

Бл ПН

режстаб еых >ГР

Р^' е—анв

в-|1Г

ИМП ЭАПР РАЗР

в • ©

I 3 ЛИСТ

о-юю «о-гоое

Бл Тр

Вкг-

Рис.3. Усилитель мощности. БлТр - блок трансформаторов, БлПН -блок питающих напряжений, БлУМ - блок усилителя мощности, БлС - блок согласования, БлНЗ - блок нагрузок и защиты.

эксперимента). Так как от УМ требуется значительное быстродействие при довольно большой выходной мощности с высокими требованиями по точности стабилизации мощности в широком диапазоне изменения нагрузки, то встаёт проблема обеспечения устойчивой работы УМ, т.е. отсутствие самовозбуждения при максимально достижимом быстродействии и точности стабилизации. Для решения этой задачи ' составлялась динамическая модель УМ и исследовалась устойчивость этой модели. Результаты исследований реализованы в схемном решении УМ. Усилитель мощности обеспечивает нормированные выходные сигналы, которые несут информацию о уровне мощности в нагрузке и о величине нагрузки как в режиме нагрева, так и в процессе охлаждения. При этом в процессе охлаждения пропускается только измерительный ток, меньший на два порядка по сравнению с током в режиме нагрева. Следует отметить, что измерение в режиме охлаждения может происходить через несколько микросекунд после окончания режима нагрева.

Назначение блоков УМ следующее. Блок трансформаторов и блок питающих напряжений обеспечивают питание элементов схем и управление режимами работы УМ. Главный узел УМ, обеспечивающий выдачу стабилизированной мощности (напряжения) в нагрузку, располагается в блоке усилителя мощности. Блок согласования служит для организации измерения величины сопротивления ТВЭ в режиме охлаждения. Блок нагрузок и защиты содержит набор сопротивлений из

8

рабочего диапазона для настройки и проверки работы БлУМ и схему, отвечающую за защиту УМ от перегрузок. Кроме того, для проверки динамических свойств УМ используется специально разработанная для этого случая активная нагрузка, создающее ступенчатое (с фронтом ^ 2 мкс) изменение величины нагрузки.

Управление УМ осуществляется двумя видами сигналов - аналоговым сигналом в диапазоне СК5 В, задающим уровень мощности в нагрузке (поступаете ГАС), и сигналом тть уровня, который служит для управления длительностью импульса мощности (поступает с ГУМ).

ГАС состоит из блока памяти, в котором хранятся коды формы и уровня аналогового сигнала на выходе ГАС, устройства сопряжения памяти с блоком шестиканального цифро-аналогового преобразователя (рис.4). Синхронная работа блоков обеспечивается с помощью импульсов, поступающих с ГУИ.

гС

ПАМЯТЬ

УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ

ШЕСТИКАНАЛЬНЫЙ ЦАП

МАГИСТРАЛЬ КАМАК

к УМ1-УМ6

.5 .6

1 от ГЕНЕРАТОРА

УПРАВЛЯЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ

Рис.4. Структурная схема генератора аналоговых сигналов.

Генератор управляющих импульсов (рис.5) задаёт длительность импульса мощности на нагрузке, временное положение и количество импульсов запуска АЦП, а также импульсы для организации в ГАС управляющих аналоговых сигналов для УМ.

Получение требуемых характеристик электронной системы достигается периодической калибровкой управляющих и измерительных каналов. Разработанная для этого аппаратура с соответствующими методиками состоит из переменного высокоточного эквивалентного сопротивления

ГЕНЕРАТОР ОПОРНЫХ ЧАСТОТ

Ь

ГЕНЕРАТОР СЕРИЙ

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

£

УМ1-УМ6

ГАС

АЦП

МАГИСТРАЛЬ КАМАК Рис.5. Структурная схема генератора управляющих импульсов.

Ндкв> с помощью которого имитируется , цифрового вольтметра (ДВ) с контроллером связи и блока адаптера (БА), посредством которого производятся необходимые подключения. Отличительная особенность применяемой аппаратуры состоит в том, что переход из режима калибровки в режим работы и обратно осуществляется без дополнительных коммутаций, что значительно упрощает процесс калибровки и сокращает его время. Это особенно важно в случае использования многоканальной системы.

В третьей главе рассматривается организация связи аппаратуры криогенного стенда с ЭВМ. Специфика криогенного стенда состоит в том, что он включает большое количество мощных силовых установок (компрессоры, электромоторы, вакуумные насосы и т.д.), которые создают высокий уровень вибраций и значительные электромагнитные помехи. Поэтому необходимо было предварительно подготовить специальное место, чтобы ослабить эти отрицательные воздействия на аппаратуру со стороны силовых установок. В связи с этим на первом этапе ЭВМ с периферийным оборудованием и аппаратура криогенного стенда располагались в разных помещениях. Расстояние между этими помещениями было около 100 метров. На этом этапе создания системы связь аппаратуры с ЭВМ была организована с помощью специально разработанной для таких случаев аппаратуры расширения ветви КАМАК. В окончательном варианте после двухлетней модернизации криогенного стенда ЭВМ была установлена на криогенном стенде и, соответственно, связь с аппаратурой осуществлялась стандартными для данного типа ЭВМ средствами. При этом сохранена возможность перестройки системы на случай удалённых измерений.

Комплект аппаратуры расширения ветви КАМАК состоит из основных (Ml, 42) и сервисных блоков, облегчающих настройку и эксплуатацию аппаратуры (имитатор команд блока Ml, блок индикации содержимого линии связи блоков Ml и MZ, блок десятичной индикации шин R, w магистрали КАМАК). Модуль Ml включается в крейт ветви КАМАК и обслуживает от одного до четырёх крейтов с контроллерами М2. Обмен информацией происходит последовательным кодом по одному коаксиальному кабелю с использованием широтно - импульсной модуляции (рис-6 )■

Диалог между Ml и М2 построен по принципу "Команда - Ответ"

независимо от вида выполняемой в крейте команды и один -цикл занимает 0.5 мс. Сообщение типа "Команда" содержит информацию вида (Сг n; a; f; data), а сообщение типа "Ответ" - (X*. q; l; data). Знак "'" указывает, что символы относятся к крейтам расширения ветви КАМАК. Под данные data отведено 16 разрядов. Обмен информацией сопровождается контролем по чётности и количеству импульсов. В блоке Ml реализован режим "Поиск L"'. Блоки Ml и М2 при имеющихся в них схемах ввода/вывода могут работать при расстоянии между ними до 500 метров. К числу достоинств применения созданного комплекта аппаратуры для организации связи следует отнести высокую помехоустойчивость, лёгкость организации связи и наличие сервисных блоков, повышающих эффективность эксплуатации этой аппаратуры. При

КРЕЙТ-КОНТРОЛЛЕР

Рис.6. Организация связи и временные соотношения информационных импульсов.

этом высокая надёжность безошибочной передачи в этой системе достигается комплексно: высокий уровень сигнала при широтно -импульсной модуляции, выполнение команды в управляемом крейте только в случае правильности приёма информации, контроль по чётности информационного сообщения и по количеству импульсов в нём, предварительная начальная установка в блоке М2 перед приёмом каждого информационного сообщения, синхронизация.

Четвёртая глава посвящена методикам организации экспериментов. В начале главы проводится оценка режимов питания экспериментального образца, имеющего в зависимости от решаемой задачи от одного до шести ТВЭ, с целью определения оптимального режима работы УМ. Показано, что в случае использования мощности тепловыделения в качестве параметра при исследованиях с применением ТВЭ с совмещённым нагревателем - термодатчиком (сопротивление нагрузки УМ в этом случае находится в диапазоне 1+6 кОм) наиболее оптимальным является работа УМ в режиме стабилизации мощности (погрешность менее 4%, которая определяется характеристиками УМ). При использовании режимов стабилизации напряжения или тока относительное изменение мощности тепловыделения будет соответственно около 500% и свыше 80%.

В следующей части этой главы приведена методика калибровки управляющего канала, цель которой состоит в определении зависимости где N - код соответствующего управляющего канала ЦАПа.

о ЫХ-

Отличительная особенность калибровки заключается в том, что эквивалентное сопротивление выберется максимальным из рабочего диапазона. Связано это со свойствами ТВЭ и характеристиками УМ.

Следует отметить, что измерение сопротивления ТВЭ в режиме нагрева и охлаждения осуществляется разными способами, поэтому и методики калибровки измерительных каналов различны для каждого режима.

Измерение сопротивления ТВЭ и уровня мощности в ней в режиме нагрева производится путём одновременного определения мгновенных значений сигналов, пропорциональных току и напряжению в ТВЭ. Применение такой организации измерений дополнительно повышает достоверность результатов. В задачу калибровки входит определение зависимостей вида ^=£(1 ) и ыц=£(ин), где и - коды соответствующих АЦП, 1„ И и„ - ток и напряжение на сопротивлении

п Н

ТВЭ. Отличительная особенность применяемой методики состоит в том, что зависимости по току и напряжению снимаются одновременно за один цикл по всему диапазону, что существенно сокращает время калибровки. Достигается это выбором определённого значения иэкв и использованием режима стабилизации напряжения УМ.

Цель калибровки измерительного канала в режиме охлаждения

заключается в получении зависимости (Я™,)» где N - код АЦП,

измеряющего ток в ТВЭ, Я^ -сопротивление имитирующее ТВЭ. В этом

случае особенность состоит в том, что на ТВЗ подаются измерительные импульсы напряжения (амплитудой 6 В и длительностью 10+20 мкс) и определяется величина тока в ТВЭ .

Следует отметить, что полученные в результате калибровок

измерительных каналов зависимости лт = :Щ„), N..= ^1) ) и N=^1? )

1 Н и п ЭКВ

были нелинейны. Поэтому при измерениях применялась кусочно линейная аппроксимация этих зависимостей. Число узловых точек в каждом конкретном случае выбиралось исходя из требуемой точности измерения.

Рис.7. Блок-схема алгоритма проведения исследований.

Далее в этой главе рассмотрена методика подготовки электронной аппаратуры для проведения экспериментов по исследованию влияния параметров импульсов мощности на характеристики нестационарной теплопередачи. Применяемая методика позволяет провести тестирование отдельных частей системы и предварительную отработку параметров управляющих сигналов на нэкв с последующим переключением на ТВЭ. Такая методика даёт возможность существенно сократить затрата и время на получение экспериментальных данных.

В конце главы приводится программное обеспечение, которое управляет работой системы в режимах калибровки, сбора данных и предварительного отбора данных с использованием графического представления результатов.

В пятой главе представлены некоторые результаты, полученные на

криогенном стенде ЛСВЭ ОИЯИ при использовании созданного комплекса аппаратно - программных средств. Эксперименты проводились с нормальным и сверхтекучим гелием при различных ориентациях экспериментальных образцов, в свободных условиях и в так называемых "стеснённых" условиях, когда образец помещали в канал, расположенный вокруг теплоотдающей поверхности. В этой главе приводятся те результаты, которые отражают основные характеристики созданной системы. Эти результаты получены как в соавторстве, так и отдельно другими сотрудниками ЛСВЭ ОИЯИ.

Закономерности теплопередачи к вынужденным потокам двухфазного

гелия при стационарном и импульсном нагреве исследовались в

работе' . Условия эксперимента были следующими: массовая- скорость

щ=25+110 кГ/м^с, давление Р=1.25 Па, относительная энтальпия

2

х=-0.1+1, удельные тепловые потоки 6=75+5000 Вт/м , нагрузки стационарные и импульсные, длительность прямоугольного импульса мощности находилась в пределах от 10 до 25 мс. Проведённые экспериментальные исследования выявили качественные и количественные особенности процесса нестационарной теплопередачи к потоку двухфазного гелия при одиночных импульсах, а также существенное отличие нестационарных характеристик этого процесса по сравнению со стационарными. Это особенно заметно на начальных стадиях процесса для относительно больших величин 9 и х.

В работе^^ были получены зависимости перегрева дт(-ь,<з) в интервале времён 10 мкс - 1 мин при задании в ТВЭ удельной мощности прямоугольной формы в диапазоне от

0.17 до 10 кВт/м2. Эксперименты проводились в объёме насыщенного гелия при давлениях 0.06-0.18 МПа при горизонтальной и вертикальной ориентациях образца в свободных и стеснённых условиях.

В результате анализа полученных зависимостей ДТ(ъ,0) были обнаружены следующие эффекты:

- возникновение ярко выраженных пиков перегрева;

- развитие незатухающих колебаний температуры;

- возможность хода процесса по нескольким путям при неизменной предыстории - ветвление кривых.

Например, на рис.8 область с этими эффектами находится в интервалах перегревов от 1 до 40 К и времён от 100 мс до 64 с.

Следует особо подчеркнуть, что обнаружение этой области стало возможно только при использовании мощности тепловыделения в качестве параметра, т.е. благодаря работе созданного УМ в режиме стабилизации мощности.

Рис.8. Зависимости перегрева AT(t,Q), р=0.1 МПа.

Далее в этой главе представлены результаты'77/ экспериментального исследования нестационарных тепловых процессов, протекающих на границе раздела "твёрдое тело - жидкий гелий" под воздействием теплового возмущения трапецеидальной формы- Данные получены при следующих условиях: ориентация образца - вертикальная, гелий насыщенный, температура объёма - 4.23 К, длительность импульса мощности - 6.4 с с мощностью теплового импульса в 0.3+17 Вт, длительность переднего фронта импульса мощности - 20 мкс, 1 мс, 2 мс 10 мс, 100 мс, 200 мс, 1 с.

Результаты продемонстрировали существенное влияние длительности переднего фронта теплового возмущения на процесс теплопередачи. На рис.9 приведено сравнение зависимостей перегрева для двух серий экспериментов.

1,С

Рис.9- Зависимости ¿Т для двух значений фронтов (20 мкс и 1 с). Непрерывные линии - границы режимов, прерывистые - данные. Значения мощности зависимостей 1-8 соответственно - 16.7, 10.9, 8.54,6.4, 3.48, 1.34, 0.63, 0.33 Вт.

На основе экспериментальных данных авторами этой работы был установлен универсальный характер карты режимов нестационарной теплопередачи и предложен метод точного расчёта границ режимов, а также новая модификация карты режимов.

В работе^/ приведены экспериментальные данные по исследованию нестационарной теплопередачи к вынужденным потокам двухфазного гелия от шестиканального образца, т.е. исследовались пространственные характеристики теплопередачи. Результаты были получены в виде зависимостей перегрева дт поверхности образца от времени ь после подачи прямоугольного импульса мощности. Ориентация образца была горизонтальной, а массовая скорость такова, что реализовывались расслоёные режимы течения двухфазного гелия при давлении 1.3*10^ Па.

В результате анализа зависимостей лТи.д) (рис.10) можно выделить характерные режимы нестационарной теплопередачи и оценить

различие в степени интенсивности процессов для верхней и нижней образующих образца, что связано с расслоением потока гелия в

охлаждающем канале.

Р=126кПа

Е—~

10'

101

10е 10-

г V*" ** "»ч

• • • «о**«**! : * *** ДО** •н «|«|<

10:

10'

ю3 ю4

I, МКС

10!

101

Рис.10. Зависимости перегрева дт(г,<3) поверхности образца-. *

[ля верхней образующей, . - для нижней образующей, 1 : - 4540 Вт/м2, т=48 кГ/м2с, х=0.32, Р=126 кПа.

9100 Вт/м

Проводились также эксперименты, в которых в качестве криогента использовался сверхтекучий гелий. Эти эксперименты показали ряд отличий при использовании сверхтекучего гелия по сравнению с нормальным. В частности, авторы этой работы'7®'на основе полученных экспериментальных данных определили относительно малое время установления стационарных режимов отвода тепла и сравнительно большое время наступления кризиса- Кроме этого, в определённых условиях получены качественно новые данные: обнаружена область переходов,- характеризующаяся пиками перегрева теплоотдающей поверхности, и следующее за ней ускоренное наступление кризиса, обусловленное турбулизацией сверхтекучего гелия.

Кроме экспериментов по изучению нестационарной теплопередачи в режиме нагрева, проводились исследования характеристик теплопередачи в режиме охлаждения. В результате этих исследований было определено поведение зависимостей перегрева лт(-ь,<3) после отключения мощности в зависимости от уровня мощности в импульсе, ориентации

о

экспериментального образца и температуры гелия^9/ Основные результаты работы

1. Сформулированы основные требования к комплексу аппаратно программных средств с целью получения экспериментальных данных по влиянию формы теплового импульса и геометрии эксперимента на динамику тепловых процессов в системах с нормальным и сверхтекучим гелием в цикле "нагрев - охлаждение" с использованием экспериментальных образцов, у которых тепловыделяющие поверхности одновременно служат в качестве датчиков температуры.

2. Проведён анализ режимов питания экспериментального образца. Сделан вывод о том, что при исследованиях с применением экспериментального образца с совмещённым нагревателем термодатчиком наиболее оптимальной является работа УМ в режиме стабилизации мощности. Разработаны и внедрены методики с соответствующей аппаратурой и программное обеспечение для подготовки электронной системы к экспериментам.

3. Разработан и создан комплекс аппаратно - программных средств, который позволяет в широких пределах проводить исследования по влиянию формы теплового импульса и геометрии эксперимента на характеристики нестационарной теплопередачи к нормальному и сверхтекучему гелию. В частности реализованы следующие возможности:

- с помощью созданного УМ обеспечивается режим стабилизации мощности тепловыделения в широких пределах изменения сопротивления ТВЗ (1 + 6 кОм) и мощности в нём (0+40 Вт) с точностью стабилизации не хуже 4% и временем реакции при работе на быстроменяющуюся во времени нагрузку не более 20 мкс;

- задаётся практически любая форма импульса мощности тепловыделения, т.е. такие параметры как амплитуда, фронт, длительность и скважность;

- многоканальная система питания ТВЭ (шесть каналов) с соответствующими каналами управления позволяет исследовать пространственные (по углу и длине экспериментального образца) характеристики нестационарной теплопередачи;

- схемное решение УМ с помощью подсистем управления и измерения позволяет определять температуру тепловыделяющей поверхности ТВЭ как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения с контролем подводимой мощности.

4. Разработаны и созданы комплект аппаратуры и структура информационного сообщения, обеспечивающие в условиях сильных

электромагнитных помех связь аппаратуры криогенного стенда с удалённой (до 500 метров) ЭВМ. Связь организована последовательным

кодом с использованием широтно - импульсной модуляции и аппаратно -программным контролем правильности передаваемого сообщения с призводительностью до 10 Кбайт/с. Число подключаемых крейтов КАМАК -от одного до четырёх.

5. С помощью созданного комплекса аппаратуры, программного обеспечения и методик получен ряд качественно новых экспериментальных данных по нестационарной теплопередаче к нормальному и сверхтекучему гелию. В частности: обнаружена область тепловой неустойчивости в статическом нормальном гелии при нагрузках, близких к стационарной величине кризиса кипения; исследовано влияние длительности переднего фронта импульса мощности на характеристики теплопередачи; получена количественная информация о пространственных характеристиках нестационарной теплопередачи к вынужденному потоку двухфазного гелия.

6. Созданный коплекс аппаратно - программных средств в настоящее время используется в дальнейших исследованиях по нестационарной теплопередаче к нормальному и сверхтекучему гелию, а отдельные части

этого комплекса также нашли применение и в других системах^/

Работы, опубликованные по теме диссертации: 1- А.И.Губанов, В.Д.Инкин, В.Ф.Минашкин. Аппаратура расширения ветви КАМАК. В кн: Всесоюзная конференция "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ". Тезисы докладов. Изд-во СО АН СССР, Новосибирск, 1981, с.58.

2. В.Д.Инкин, В-Ф.Минашкин, Ю.П.Филиппов. Комплекс электронной аппаратуры для проведения исследований на тепловой модели сверхпроводящего магнита. Сообщение ОИЯИ, 8-85-756, Дубна, 1985, 6 с.

3. В.М.Микляев, В.Ф.Минашкин, А-В.Скрыпник, Ю.П.Филиппов. Теплопередача к вынужденному потоку гелия при стационарном и импульсном нагреве. В кн.: Тезисы докладов Международного симпозиума "Теплообмен в криогенных системах". Изд-во АН УССР, Харьков, 1985,

37-38.

4. В .Ф.Минашкин, С.В.Романов, С.Ю.Селюнин, Ю.П.Филиппов. Электронная система для исследования нестационарных тепловых процессов. Сообщение ОИЯИ, Р10-88-902, Дубна, 1988, 14 с.

3. В.Ф.Минашкин. Усилитель мощности для исследования нестационарных гепловых процессов. Сообщение ОИЯИ, Р10-89-547, Дубна, 1989, 13 с.

5. В.М.Микляев, В.Ф.Минашкин, С-Ю.Селюнин, И.А.Сергеев, \.В-Скрыпник, Ю.П.Филиппов. Нелинейные эффекты при моделировании гепловых режимов сверхпроводящих магнитов в условиях импульсного шерговыделения. В кн.: Труды 13 Международной конференции по

ускорителям частиц высоких энергий- Новосибирск: Наука, 1987, т.2, с.53-58.

7- Yu.P.Filippov, V.F.Minashkin and I.A.Sergeyev. Transient Heat Transfer into Liquid Helium under Controlled Heat Generation. In: Advances in Cryogenic Engineering, Plenum Press, New York, 1990, vol.35, p.387-394.

Цитированная литература: 8. В.М.Микляев, И.А.Сергеев, Ю.П.Филиппов. Особенности нестационарной теплопередачи к сверхтекучему гелию. ИФЖ, 1988, т.54, »6,с.950-956.

9. Yu.P.Filippov and I.A.Sergeyev. Transient Thermal Recovery of

st

Preheated Solid in a Liquid Helium Bath -1 Report. In: Proceedings LTEC90, Institute of Criogenics, Southampton, 1990, p.113.

10. Л-В.Дубовик, В.Д.Инкин, Л.И. Косухина, В.Н.Лысяков, В.Ф.Минашкин, А.А.Мозелев, В.П.Николаев, Т.П-Саенко, А.В.Смирнов, Г.А.Филина. Автоматизированная система управления коллективным ускорителем тяжёлых ионов ОИЯИ. В кн: Всесоюзная конференция "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ". Тезисы докладов. Изд-во СО ОН СССР, Новосибирск, 1981, с.94.

Рукопись поступила в издательский отдел 5 июля 1995 года.