ОТЧЕТ ПО ПРАКТИКЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ «Измерительные вычислительный комплексы, применяемые в экспериментальных иссл. станиславская НИР ИВК 2021. Отчет по практике научноисследовательской работы Измерительные вычислительный комплексы, применяемые в экспериментальных исследованиях процессов теплообмена

• Название: Отчет по практике научноисследовательской работы Измерительные вычислительный комплексы, применяемые в экспериментальных исследованиях процессов теплообмена
• Анкор: ОТЧЕТ ПО ПРАКТИКЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ «Измерительные вычислительный комплексы, применяемые в экспериментальных иссл
• Дата: 27.09.2022
• Размер: 146.76 Kb.
• Имя файла: станиславская НИР ИВК 2021.docx
• Тип: Отчет; #701524

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное бюджетное образовательное учреждение

Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I

Факультет: «Транспортные и энергетические системы»

Кафедра: «Электротехника и теплоэнергетика»

ОТЧЕТ

ПО ПРАКТИКЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

«Измерительные вычислительный комплексы, применяемые в экспериментальных исследованиях процессов теплообмена»

Выполнил:

Студент группы ТЭМ015
Станиславская М. Г.


Проверил:

к.т.н. доцент Крылов Д. В.

Санкт–Петербург
2021

Оглавление

Введение 2

Классификация теплофизических свойств 3

Общие принципы построения систем автоматизации экспериментальных исследований 4

Стандартные интерфейсы для измерительных систем 4

Стандартный интерфейс КАМАК 5

Приборный интерфейс 5

Структурная схема ИИС приборно-модульного типа 6

LabVIEW 6

ИВК 8

Вывод 8

Список литературы 9

Введение

Важным инструментом анализа теплофизических свойств веществ, который освоили за последние десятилетия многие прикладные науки, является аппарат компьютерного моделирования теплофизических процессов в различных системах, сделавший возможным появление и развитие «вычислительной термодинамики».

Несмотря на стремительное развитие технологий, некоторые математические задачи – решение системы Навье-Стокса из четырех уравнений с пятью неизвестными для исследования теплообмена в средах сжимаемых газов, например, – связанные с процессами теплообмена, не могут быть полностью решены даже при помощи ЭВМ и в большинстве случаев требуют экспериментальных исследований с применением методов «экспериментальной термодинамики». Однако, учитывая усложнение задач, роста требований к точности и скорости измерений, в научных экспериментах требуются вычислительные системы, предназначенные для автоматизации различных процессов.

Целью данного исследования является изучение измерительных вычислительных комплексов, применяемых в экспериментальных исследованиях процессов теплообмена.

Задачи исследования:

1. 
   Определение объекта изучения экспериментальной термодинамики
   
2. 
   Изучение общих принципов вычислительных методов.
   
3. 
   Описание вычислительных комлексов, применяемых для экспериментальных исследований процессов теплообмена.
   

Классификация теплофизических свойств

Теплофизические свойства принято де­лить на несколько групп. Первую группу со­ставляют равновесные теплофизические свойства веществ, являющиеся функциями состояния. К этой группе принято относить так называемые термодинамические свойст­ва, которые в свою очередь подразделяются на термические и калорические.

К термическим свойствам относится плотность вещества р (или удельный объем v), выраженная как функция термодинами­ческих параметров – давления р и темпера­туры Т. Наиболее общим выражением этой зависимости является термическое уравне­ние состояния



К термическим свойствам относят так­же и любые частные производные, состав­ленные из этих трех величин. С некоторой условностью к термическим свойствам отно­сят поверхностное натяжение а.

К калорическим свойствам относят внутреннюю энергию, энтальпию, энтропию, энергии Гиббса и Гельмгольца, теплоем­кость.

Ко калорическим свойствам веществ относят транспортные, или переносные, свойства (теплопроводность, вязкость, диффузия и так называемые пе­рекрестные эффекты–термодиффузия и концентрационная теплопроводность). Эти свойства характеризуют неравновесные про­цессы в физических средах.

К теплофизическим свойствам относят также некоторые оптические свойства, свя­занные с поглощением и испусканием теп­лового излучения. Исследования проводятся для физические тела в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Температурный интервал исследований условно принято подразделять на криоген­ные температуры (ниже 120 К), низкие (от 120 до 300 К), средние (от 300 до 1500 К) и высокие (выше 1500 К).

Давление сильнее всего сказывается на свойствах газов, в меньшей степени оно волнует на свойства жидких и твердых ве­ществ. Условно области давления делят на низкие (менее 0,1 МПа), средние (от 0,1 до 100 МПа) и высокие (выше 100 МПа).

Общие принципы построения систем автоматизации экспериментальных исследований

В современном производстве необходимо­ контролировать одновременно сотни, а иногда и тысячи физических величин, что явилось основной причиной создания информационно-измерительных систем (ИИС).

По функциональному назначению ИИС делят на измерительные системы, системы автоматического контроля (САК) и системы техни­ческой диагностики (СТД).

Автоматическая система – совокупность управляемого объекта и автоматических управляющих устройств, функционирующая самостоятельно, без участия человека. Автоматизированная система – комплекс технических, программных, др. средств и персонала, предназначенный для автоматизации различных процессов. В отличие от автоматической системы не может функционировать без участия человека. Вычислительная система – совокупность ЭВМ и средств программного обеспечения, предназначенная для выполнения вычислительных процессов; также это любая автоматизированная система, основанная на использовании ЭВМ.

Стандартные интерфейсы для измерительных систем

Стандартный интерфейс – это совокупность унифицированных технических, программных и конструктивных средств, необходимых для взаимодействия различных элементов в системах обработки информации при условии их информационной, электрической и конструктивной совместимости.

Стандартизация интерфейсов проводится в рамках национальных и международных организаций, таких как Международная организация по стандартизации (ISO); Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT); Международная электротехническая комиссия (МЭК, IEC); Европейская ассоциация производителей вычислительных машин (ЕСМА); Институт инженеров по электронике и радиоэлектронике (IEEE) США и др.

Стандартный интерфейс КАМАК

Интерфейс КАМАК представляет собой систему функционально-модульного типа. Основным элементом КАМАК является крейт (кассетный блок). Каждый крейт имеет 25 ячеек для вставных функциональных модулей (рис.12.3). Каждый модуль име­ет интерфейсный узел сопряжения и соединения с магистралью крейта (горизонтальная связь) через 86-контактный разъем. КАМАК имеет следующие модули: измерительные; ввода-вывода данных; управления (контрол­леры); сопряжения с интерфейсными устройствами; сервисные модули (генераторы, индикаторы) и др.

В каждый момент времени взаимодействуют только два модуля - контроллер и один из его модулей.



Рисунок 1. Система КАМАК

Основной способ ввода данных в систему КАМАК - централизованный по инициативе контроллера. В КАМАК 6500 предусмотрена многокрейтная система на основе интерфейса параллельного обмена ин­формацией (вертикальная магистраль). В вертикальной ветви возможно объединять до семи крейтов, в каждом из которых размещается контроллер крейта. Сопряжение системы с ЭВМ при параллельном обмене осуществляется драйвером (устройством управления), включенным в вер­тикальную магистраль. Процесс передачи информации в вертикальной магистрали осуще­ствляется по принципу квитирования, т.е. «запрос – ответ».

Приборный интерфейс

Фирмой Hewlett-Packard (Хьюлетт-Пакард) был введен интерфейс под маркой HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus), который использо­вался для сопряжения приборов (рис.12.2). В дальнейшем он был стан­дартизован во многих странах мира.



Рисунок 2. Приборный интерфейс HP-IB

В России применение этого стан­дарта регламентирует ГОСТ 26.003-80, в США – это интерфейс IEEE-488. Данный интерфейс встречается также под названием GRIB (General Purpose Interface Bus) – интерфейсная шина общего пользования (ка­нал общего пользования - КОП).

Структурная схема ИИС приборно-модульного типа

Структура ИИС, построенная на основе интерфейса МЭК 625.1, состоит из трех групп модулей: средства измерений (СИ); средства вычислительной техники (СВТ); вспомогательные устройства (ВУ). С шиной КОП соединены следующие агрегатные средства: устройство сопряжения (УС) с объектом измерения (ОИ); коммутатор (К); электронно-счетный частотомер (Ч); осциллограф (ОС); цифровой вольтметр (В); генератор сигналов (Г) и ПЭВМ.

ЭВМ выполняет одну из следующих трех функций: считывание результатов измерений с модулей приборов, передача команд на переключение ре­жимов работы модулей, организация обмена между модулями. Основной режим работы этих модулей – постоянное сканирование ли­ний магистрали. Если модуль обнаруживает информацию, предназна­ченную для него, то он вступает в работу и осуществляет прием или передачу информации.

LabVIEW

Практическим воплощением концепции виртуального инструмента стала среда разработки программ LabVIEW. Отличие этой среды от других, использующих тесто ориентированные языки, заключается в применении графического программирования. В LabVIEW имеется большая библиотека функций и процедур, универсальных для большинства прикладных задач управления средствами измерения, сбора и обработки данных.



Рисунок 3. Лицевая панель ВП – анализатор спектра

Программы, созданные в среде LabVIEW, имеют три основные составные части: переднюю панель, блок-диаграмму и пиктограмму. Блок-диаграмма представляет собой графическое решение задачи. Она составляется на графическом языке программирования. Затем встроенный в LabVIEW компилятор транслирует программу в машинный код. Аппаратная составляющая виртуальных измерительных приборов, обеспечивающая ввод реальных сигналов измерительной информации, может реализоваться в виде встраиваемых в компьютер сменных плат или в виде внешних устройств.

Специальный компонент LabVIEW Application Builder позволяет создавать LabVIEW-программы, пригодные для выполнения на тех компьютерах, на которых не установлена полная среда разработки, в том числе в эксперементальных установках для решения задач для термодинамики и теплотехники. Отечественной альтернативой LabVIEW можно в каком-то роде считать программный комплекс JMCAD.

ИВК

Информационно-вычислительный комплекс (ИВК) – совокупность функционально объединенных программных, информационных и технических средств, предназначенная для решения задач диагностики состояний средств и объектов измерений, сбора, обработки и хранения результатов измерений, поступающих от информационно-вычислительный комплекс электроустановки (ИВКЭ)и измерительно-информационного комплекса точки измерений (ИИК) субъекта ОРЭ, их агрегирование, а также обеспечения интерфейсов доступа к этой информации.

ИВК-2 – комплекс измерительно-вычислительный. Предназначен для автоматизации научных экспериментов. Комплексы ИВК-2 состоят из управляющего вычислительного комплекса УВК СМ-4 и двух крейтов КАМАК № 1.



Рисунок 4. Основные компоненты ИВК-2

Обработка потоков измерительной информации комплекса ИВК-2 осуществляется с помощью УВК СМ-4, участвующего также в выполнении косвенных и статистических измерений. На базе ИВК-2 можно разработать аналитический комплексы различного уровня, требуемые для научных экспериментов, например – различные мультизадачные спектрометры.

Вывод

В работе представлены измерительные вычислительный комплексы, применяемые в экспериментальных исследованиях процессов теплообмена, как аналоговые, так и виртуальные, выявлены общие принципы построения систем, их отношение к задачам теплообмена, а также рассмотрен конкретный комплекс ИВК-2 для научных эксперементов.

Список литературы

1. 
   Григорьев В.А., Зорин В.М. (ред.). Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. – 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1988.— 560 с. (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).
   
2. 
   С. М. Гладков, В. Н. Задков, М. Г. Каримов, Н. И. Коротеев, В. Н. Марченко, Квантовая электроника, 1984, том 11, номер 3, 559–567
   
3. 
   Пилипенко А. В., Пилипенко О. В., Федотов А. А. Методы решения профессиональных задач на ЭВМ. – 2012.