Приборы и техника эксперимента, 2021, № 5, стр. 152-155

Сама по себе задача управления нагревом проволочного зонда различными способами не является новой. Как правило, способ управления (регулирование напряжения, тока, мощности, сопротивления) диктовался поставленными задачами конкретного эксперимента. Например, для исследования процессов теплообмена при гетерогенном кипении были применены стабилизаторы сопротивления проволочного зонда, что эквивалентно поддержанию постоянной температуры зонда [1]. Во многих случаях требуется поддержание постоянства мощности, рассеиваемой на нагревателе. Необходимый диапазон мощности и точность поддержания ее заданного значения зависит от условий задачи, поставленной в конкретном исследовании. В частности, применяются серийные лабораторные источники питания, способные поддерживать постоянство мощности, например, PS 8080 DT фирмы ElectroAutomatic. Подобные источники имеют точность поддержания значения мощности порядка 1% и время отклика порядка 1 мс.

Задачи, поставленные в нашем случае, потребовали обеспечить точность поддержания значения мощности на уровне 0.05% и времени отклика порядка единиц микросекунд. В качестве зонда, являющегося одновременно нагревателем и термометром сопротивления, применена платиновая проволока ∅ 20 мкм. Собственное время тепловой релаксации такого зонда имеет величину порядка 1 мкс [2]. Данное обстоятельство позволяет исследовать быстропротекающие процессы, например сверхкритический теплообмен при мощном тепловыделении [3, 4], спонтанное вскипание и спинодальный распад растворов с нижней критической температурой растворения [5], кратковременно перегретых относительно линии равновесия жидкость–пар или диффузионной спинодали [6] при заданном давлении, соответственно.

Установка представляет собой аппаратно-программный комплекс, управляемый с помощью специально написанной программной оболочки. Блок-схема установки приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Блок-схема установки. ПК – персональный компьютер.

Блок АЦП-ЦАП представляет собой два 16-битных параллельно работающих модуля АЦП (аналого-цифрового преобразователя) Е-502 фирмы LCard [7] с полосой пропускания 1.5 МГц. Они имеют 16-битные ЦАП (цифроаналоговые преобразователи), один из которых используется для формирования управляющего импульса. Основные метрологические характеристики установки таковы:

– зонд – платиновая проволока ∅20 мкм и длиной 1 см;

– длительность греющего импульса 1–500 мс;

– точность поддержания установленного значения мощности 0.05%:

– плотность теплового потока с поверхности зонда 1–20 мВт/м²;

– предусмотрена возможность ступенчатого изменения значения мощности непосредственно в ходе импульса.

Эксперименты проводились следующим образом. Ячейка с подготовленным зондом заполнялась исследуемой жидкостью и помещалась в камеру давления. В ячейке предусмотрена эластичная мембрана для отделения гидравлической среды от исследуемой жидкости, как показано на рис. 2.

Рис. 2.

Камера давления с рабочей ячейкой.

Риунок 2 в особых комментариях не нуждается: внутрь камеры, в которой создается избыточное давление, помещена герметичная фторопластовая ячейка в виде стаканчика с крышкой. Через крышку введены токовводы, к которым припаян зонд (R_Pt на рис. 1). Толщина стенки в рабочей части ячейки составляет ≈0.1 мм, что и обеспечивает необходимую эластичность такой мембраны. Выбор в качестве материала ячейки фторопласта обусловлен высокой химической инертностью для исключения взаимодействия исследуемой жидкости с материалом ячейки.

Избыточное давление создавалось с помощью гидропресса CPP 1200-X компании WIKA. Далее проводилось измерение начальной температуры и начального сопротивления зонда, что необходимо для расчета температуры зонда в процессе нагрева, используя стандартную градуировку платиновых термометров сопротивления. Внеся эти данные в программу сбора данных, оператор устанавливает амплитуду и длительность управляющего импульса, что эквивалентно установке заданного значения мощности. Также устанавливается необходимое значение давления. Старт нагрева производится с клавиатуры компьютера. Система сбора данных автоматически записывает изменяющиеся во времени значения падения напряжения на зонде и токоизмерительном резисторе, являющиеся первичными данными. На их основе проводится расчет мощности, рассеиваемой на зонде, и изменяющегося во времени сопротивления зонда, которое пересчитывается в изменяющуюся во времени температуру зонда (термограмма). Программная оболочка сразу же по окончании импульса представляет исходные и расчетные данные в графическом виде в отдельных окнах. Вся информация записывается в память компьютера. Для корректного сопоставления теплопереноса при изменении внешнего параметра, например значения давления, работа ведется в однократном режиме. Достаточно продолжительная пауза необходима для релаксации тепла в ячейке от предыдущего импульса и для изменения внешнего параметра; она составляет ∼2 мин.

Идея схемотехнического решения поставленной задачи создания быстродействующего регулятора мощности была подсказана в учебнике [8], где был представлен прототип генератора тока с заземленной нагрузкой. Его работа обеспечивалась дополнительным, гальванически не связанным с остальной схемой, источником питания в цепи нагрузки. Взяв за основу этот прототип, удалась создать регулятор мощности с необходимыми характеристиками. Принципиальная схема регулятора представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Принципиальная схема регулятора, обеспечивающего управление мощностью, рассеиваемой на нагревателе – зонде, в соответствии с алгоритмом P_out = kU_in. A₁, A₂, A₄, A₅ – LF356A, A₃ – AD734; T – IRF540; диоды – КД522; R_i – точный токоизмерительный резистор, R_Pt – проволочный зонд; V⁺ и V^– присоединяются к гальванически не связанному с остальной схемой источнику питания с напряжением 90 В; ${{U}_{{v}}}$ – падение напряжение на зонде.

Выбор операционных усилителей A₄, A₅ должен предусматривать устойчивость работы при единичном усилении. Выбор номиналов резисторов R₁, R₂ зависит от параметров зонда. В представленном случае зонд – платиновая проволока ∅20 мкм и длиной 1 см. Сопротивление такого зонда при комнатной температуре составляет ∼3 Ом, соответственно номиналы резисторов R₁, R₂ выбраны равными 10 и 20 кОм, чтобы исключить их влияние на работу цепи “зонд – токоизмерительный резистор”. Отметим, что в неинвертирующем включении операционных усилителей A₄, A₅ устойчивой работы петли обратной связи добиться не удалось. Причина неустойчивости кроется в конечной величине коэффициента ослабления синфазного сигнала операционных усилителей, и эта проблема усугубляется большим коэффициентом усиления в петле обратной связи регулятора (≈2000). Номинал конденсатора С* подбирается из соображения наименьшей емкости, обеспечивающей устойчивую работу регулятора. При этом удается получить достаточно малую постоянную времени τ* = R*C*, порядка 1–2 мкс. Кроме того, следует предусмотреть хорошую развязку по цепям питания (на схеме не показана). Использованы точные резисторы (класс 0.01), что необходимо для обеспечения хорошей повторяемости установленного значения мощности в серии измерений. A₃ – перемножитель аналоговых сигналов с точностью 0.1%, с полосой пропускания 10 МГц и скоростью нарастания 450 В/мкс.

Найденная общая схемотехническая архитектура оказалась вполне работоспособной и легко масштабируемой под разные задачи, включая реализацию установки для измерения теплопроводности методом нестационарного нагрева проволоки (transient hot wire method в англоязычной литературе) [9]. Применение представленной установки для исследования раствора ППГ-425 в воде, импульсно перегретого относительно диффузионной спинодали, позволило обнаружить признаки спинодального распада. Его действие выразилось в резкой интенсификации теплообмена зонда с раствором, обусловленной “включением” конвективного механизма переноса тепла. На рис. 4 представлены термограммы для чистой воды и 30%-го раствора ППГ-425 в воде при одном и том же значении мощности и при одинаковых значениях давления.

Рис. 4.

Термограммы импульсного нагрева зонда в воде и 30%-м растворе ППГ-425 в воде при неизменном значении мощности P(t) = const, действующей в цепи зонда. На основном графике P(t) представлены необработанные графики мощности всех 8 импульсов, наложенные друг на друга. На врезке показаны термограммы T(t) для воды и раствора.

На рис. 4 видно, что, начиная с некоторой температуры, термограммы раствора принимают почти горизонтальный вид, тогда как термограммы для воды уходят в область высоких температур. Такое поглощение довольно большой плотности теплового потока раствором, происходящее почти без прироста температуры, свидетельствует о резкой интенсификации теплообмена. Оценка плотности теплового потока составляет ≈13.5 МВт/м².

Установка показала устойчивую работу при решении разных исследовательских задач, включая метод измерения теплопроводности, перекрывая диапазон плотности теплового потока от 10 кВт/м² до 20 МВт/м², и может оказаться полезным инструментом для других применений, например для изучения характеристик пузырькового кипения теплоносителей [10].