Определение проницаемости пористых материалов использованием автоматизированной обработки данных в среде LabVIEW

Размещено на http://www.allbest.ru/

Орловский государственный технический университет

Определение проницаемости пористых материалов использованием автоматизированной обработки данных в среде LabVIEW

Аспирант Колисниченко Л.В.,

ст. преподаватель Кваскова Т.В.

г. Орел

Annotation

Duration of experiment with use of the automated system of gathering and data processing in LabVIEW environment makes some minutes and necessary quantity repetitions for carrying out of statistical processing and reception reliable regression dependences can be received for short enough time.

Основная часть

Продолжительность эксперимента с использованием автоматизированной системы сбора и обработки данных в среде LabVIEW составляет несколько минут и необходимое количество повторностей для проведения статистической обработки и получения надежных регрессионных зависимостей может быть получено за достаточно короткое время.

Определение газопроницаемости пористых материалов основано на косвенном измерении количества воздуха, проходящего через испытываемый образец, которое рассчитывается по изменению давления в некотором контрольном объеме с избыточным начальным давлением по отношению к атмосферному воздуху. При этом текущее значение давления в емкости сравнивают с его значением на предыдущем временном шаге и рассчитывают количество проникающего через образец воздуха [3]. По результатам экспериментов строят зависимости Р= ?V + ?V² и определяют коэффициенты и обобщенного уравнения Дарси. При этом результаты измерений автоматически обрабатываются в реальном режиме времени в среде LabVIEW.

Эксперимент при этом строится следующим образом. Испытываемые образцы диаметром до 30 мм и высотой до 40 мм в количестве не менее 5 шт. вырезаются из цельного материала в соответствии с действующими стандартами на эти виды испытаний. Предварительно образцы анализируются под микроскопом и фотографируются для определения структуры пористого материала.

При испытаниях образец материала закрепляется в измерительной ячейке и в емкость нагнетается воздух до давления 40 мм в. ст. Затем перекрывается вентиль, соединяющий емкость и нагнетатель, и запускается автоматизированная система сбора, обработки и представления данных [2]. По истечении 2-3 минут и установления равновесной с окружающей средой температуры воздуха, открывают откидной клапан и избыточная часть воздуха из емкости медленно - за 10 1000 с вытекает через образец. За счет медленного расширения воздуха в емкости оно практически является изотермическим, что позволяет не принимать во внимание некоторое уменьшение его температуры. По расчетным оценкам, даже при адиабатическом, то есть мгновенном расширении, уменьшение температуры не превышает 0,5 ⁰С, что подтверждается кривыми релаксации. Блок-схема системы измерения показана на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сигнал датчика давления поступает на аналого-цифровой преобразователь, преобразуется в цифровой код и передается в компьютер, где в течение заданного числа циклов формируются массивы данных, по которым далее рассчитывается среднее значение давления на рассматриваемом интервале времени. Для получения устойчивых данных величина интервала времени изменяется в соответствии с темпом изменения давления. Она устанавливается автоматически при уменьшении давления на определенную заданную ступень. Эта операция уникальна для обычных измерительных систем, но легко реализуется и изменяется в программно-управляемых системах, в частности - работающих в среде LabVIEW [4]. Среднее значение давления на рассматриваемом интервале вычитается из предыдущего, и полученное изменение делится на пролонгированный интервал времени. Полученный результат пропорционален удельному расходу воздуха на рассматриваемом интервале времени.

P?V = m?R?T;

m = ;

dm = ;

= ,

или при переходе к разностной форме

G=,

где G - расход воздуха, г/см²*см;

p - текущее значение давления на рассматриваемом интервале времени, Па

m - текущее значение массы воздуха в емкости, соответствующее рассматриваемому давлению, кг

- время, с

V - объем емкости, V = const, м³

R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж?моль^-1?К^-1

T - температура воздуха в емкости, Т = const, К

S - площадь образца, S=const, м².

Система измерений всякий раз автоматически производит эти расчеты и строит график зависимости давления и расхода от времени (рисунок 2).

Рисунок 3 Расходная характеристика пористого материала

Здесь же на лицевой панели монитора в реальном режиме времени строится итоговая зависимость перепада давления на образце от расхода воздуха G=F(P) (рисунок 3). Помимо графического представления данных, они сохраняются в компьютере в цифровом виде для последующей обработки, предусматривающей получение коэффициентов обобщенного уравнения Дарси и статистической оценки разброса и достоверности экспериментальных данных. Этот двухмерный массив значений давления и расхода автоматически регистрируется в Excel, так как программная среда LabVIEW полностью соответствует операционным системам Windows 98/2000/XP, MacOS и др.

При частоте опроса датчика давления 10 мсек и начальном числе циклов 10 за время одного испытания удается получить несколько десятков экспериментальных точек. Анализ достоверности величин, полученных в результате эксперимента, производился с помощью известных методов теории вероятности. При этом используются стандартные методы и программы оценки математического ожидания, дисперсии, интегральной и дифференциальной функций распределения 1,2.

Рисунок 4 Воспроизводимость результатов измерений

Особенностью статистической обработки в нашем случае являлась двухмерность результатов, в связи с которой вариационный ряд и гистограммы выборки строились не для самой величины, а для отклонения частных ее значений от их статистической модели, описываемой уравнением регрессии. Для этого по результатам испытаний всех образцов одного и того же материала строились поля рассеяния случайных величин G и P.

Далее вычислялись коэффициенты регрессионного уравнения величины отклонения каждой из измеренных величин от рассчитанных по уравнению регрессии, и составлялся вариационный ряд отклонений определялось число квантов, на которые разбивается ось отклонений подсчитывалось количество измерений, попавших в каждый квант, вычислялись значения дисперсии и среднеквадратичного отклонения.

Смысл всех этих вычислений состоял в том, чтобы по ограниченной выборке представить обоснованное суждение о генеральной совокупности в целом, то есть в получении состоятельных и несмещенных оценок. На рисунке 5 показано, что достоверность аппроксимации расходной характеристики пористого материала полиномом второй степени (модифицированное уравнение Дарси) достаточно велика и практически приближается к единице. Коэффициенты аппроксимации определяются с точностью до третьего знака.

Таким образом, определение проницаемости пористых материалов с использованием автоматизированной обработки данных в среде LabVIEW позволяет повысить информативность экспериментов, резко сократить время их проведения и применять оптимальные алгоритмы обработки и представления данных.

алгоритм автоматизированный материал измерение

Рисунок 5 Построение регрессионных зависимостей G=F(P)

Литература

1. Теплотехнические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник/ Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.Энергоатомиздат, 1988. 560 с.

2. Галаган П.В. Использование многоканальных компьютерных систем измерения в научных экспериментах по тепло-массообмену/ П.В. Галаган, Н.Б. Горбачев, Т.В. Кваскова// Сборник трудов международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments.М.: РУДН,-2003. С. 171-173.

3. Гольцова Л.В. Экспериментальная установка для определения воздухопроницаемости пористых материалов/ Л.В. Гольцова, Н.Б. Горбачев, Т.В. Кваскова. Орел.: ЦНТИ,- инф. лист. № 53-053-03, 2003. 4 с.

4. Тревис Дж. LabView для всех/Джеффри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. М.: ДМК Пресс; Приборкомплект, 2004. 544 с.: ил.

5. Малахов Н.Н. Опыт эксплуатации автоматических лабораторных комплексов с использованием компьютерных технологий National Instruments/ Н.Н. Малахов, Н.Б. Горбачев, Е.Г. Папуш// Сборник трудов международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments.М.: РУДН,-2003. С. 57-60.

Размещено на Allbest.ru