Автоматизация теплофизического эксперимента

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени  Н.Э. БАУМАНА

В.Л. Трифонов

АВТОМАТИЗАЦИЯ
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

 Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу
«Автоматизированные системы в экспериментальных исследованиях»

М о с к в а
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2 0 0 6

УДК 65.011.56
ББК  32.965.2
          Т67

Рецензент  Д.Ю. Юдин

Трифонов В.Л.
Автоматизация теплофизического эксперимента: Методические 
указания к выполнению курсового проекта по курсу
«Автоматизированные системы в экспериментальных исследованиях». – 
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. –
20 с.: ил.
Описаны рекомендуемый порядок выполнения курсового проекта,
примерная последовательность действий при реализации каждой части работы; 
требования, предъявляемые к графической части и расчетно-пояснительной 
записке. Даны критерии оценки выполненного проекта и представлена 
форма технического задания на курсовой проект.
Для студентов специальности «Теплофизика» факультета «Энергомашиностроение», 
выполняющих курсовой проект по дисциплине «Автоматизированные 
системы в экспериментальных исследованиях».
Ил. 1. Библиогр. 17 назв.

                                                                                                                 УДК 65.011.56
                                                                                                       ББК 32.965.2

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

Т67

ЦЕЛЬ И ТЕМАТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТА

В настоящее время невозможно представить теплофизические

исследования, как, впрочем, и любые другие, без использования
средств вычислительной техники. Преимущества их столь очевидны, 
что подавляющее большинство экспериментальных установок
уже сразу проектируются с учетом применения автоматизированных 
систем. Задачи, стоящие перед экспериментальной теплофизикой, 
требуют сложного измерительного оборудования, управление
которым возможно только с использованием компьютерных технологий. 
Поэтому автоматизация теплофизических измерений является 
одним из ключевых звеньев организации экспериментальных исследований.

Целью курсового проектирования и является проработка студентами 
вопросов организации и проведения автоматизированного
экспериментального исследования теплофизических процессов.

Очень важным для такой обширной области науки и техники, как

автоматизация теплофизического эксперимента, находящейся на стыке 
измерительной техники, прикладной математики, электроники и
программного обеспечения, является организация связи экспериментального 
объекта с исследователем и получение максимальной информации 
посредством компьютерных измерительных систем.
Объектом исследования студента могут быть как непосредственно 
сами энергетические установки, так и процессы тепломассо-
обмена, происходящие в них, а также, например, тепловое состояние 
элементов энергетических установок, теплоотдача и теплоперенос 
в теплообменниках, трубах, каналах и на поверхностях,
структура потока газа или жидкости около поверхности, исследование 
параметров пограничного слоя. Окончательно тема курсового 
проектирования утверждается на заседании кафедры.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

В ходе выполнения курсового проекта студентам предлагается
проработать ряд вопросов организации автоматизированного экспериментального 
исследования теплофизических процессов. Ниже
дана предварительная последовательность шагов при проектиро-

вании автоматизированной системы экспериментального исследования (
АСЭИ).
1. Разработать методику измерения, ориентированную на использование 
системы автоматизации эксперимента, обосновать
целесообразность того или иного уровня автоматизации.
2. Составить перечень стандартных функциональных устройств
промышленного изготовления, необходимых для проведения автоматизированного 
исследования (датчики, промежуточные преобразователи, 
аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, 
исполнительные устройства) с указанием их типов, марок,
основных характеристик.
3. Составить перечень необходимых специальных устройств,
не выпускаемых промышленностью, с указанием их технических
характеристик и ссылкой на ГОСТ, в соответствии с которым они
должны быть изготовлены. Дать конструктивные схемы этих устройств.

4. Выбрать тип, класс ЭВМ, операционную систему, средства
отображения информации.
5. Охарактеризовать выбранный измерительно-вычислительный
комплекс, указав его тип, основные технические характеристики.
6. Привести схему объединения функциональных устройств в
измерительно-вычислительном комплексе, схему потоков измери-
тельной информации и сигналов управления в информационно-
измерительной системе.
7. Дать подробный алгоритм съема измерительной информации, 
ее обработки на ЭВМ, управления устройствами измерительно-
вычислительного комплекса и экспериментальной установки.
8. Составить программные модули обработки измерительной
информации, поступающей с датчиков, и отображения результатов
исследования, провести отладку на ЭВМ и привести результаты
контрольных расчетов.

9. Аналитически и графически сравнить рассчитанные и экспериментально 
определенные зависимости температур, коэффициенты 
трения и плотности теплового потока, а также соотнести 
их с известными законами гидродинамики и теплообмена. В
техническом задании указывают, какие именно параметры исследуемого 
процесса или установки подлежат численному и экспериментальному 
определению.
При выдаче задания на экспериментальную часть указывают, в
каких сечениях и какие параметры следует измерять, а также – какие 
методы определения отдельных параметров нужно применять.

Дополнительно студент должен выполнить специальное задание 
по углубленной проработке какого-либо метода диагностики
потока (определение коэффициента сопротивления, плотности теплового 
потока, расхода, скорости, температуры и т. п.).

В задании на курсовой проект руководитель указывает литературу, 
которую рекомендует использовать. При выдаче задания он
должен ознакомить студентов с условиями конкурса на лучший
курсовой проект. Каждое задание должно быть тщательно продумано 
в научном, экспериментальном и методическом отношении и
соответствовать уровню подготовки студентов, а по объему –
времени, отведенному на выполнение курсового проекта.

Задание, оформленное на специальном бланке, подписывает

руководитель курсового проекта. Студент, получивший задание,
расписывается в получении и указывает дату получения задания.
Подписанный бланк задания является первой страницей расчетно-
пояснительной записки. Образец задания на курсовой проект приведен 
в приложении.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

В курсовом проекте по курсу «Автоматизированные системы в

экспериментальных исследованиях» предусматривается проведение
научно-исследовательских работ по экспериментальному и теоретиче-
скому исследованию ламинарного и турбулентного, динамического и
теплового пограничных слоев традиционными (по средним характе-
ристикам) методами.
Проект рассчитан на студентов старших курсов, изучивших кур-
сы экспериментальных исследований теплофизических процессов и
свойств веществ, информатики и программирования, электротехни-
ки и электроники, управления в технических системах, математиче-
ской физики, механики жидкости и газа, вычислительной теплопере-
дачи и гидродинамики, конвективного теплообмена и теории погра-
ничного слоя, а также теорию эксперимента и оценки погрешностей.

К разрабатываемой АСЭИ предъявляют следующие требования:
– доведение с минимальными потерями информации с выхода

первичных детекторов и датчиков текущего состояния эксперимен-
тальной установки до записи на долговременный носитель при опти-
мальном выборе компонентов измерительной системы;

– обеспечение необходимой надежности экспериментов путем

применения тщательно продуманного алгоритма его проведения, хо-

рошо согласованных между собой и с условиями проведения экспе-
римента компонентов системы, а также хорошо протестированного
программного обеспечения;

– проведение по ходу эксперимента необходимой обработки те-

кущей информации для программного управления компонентами экс-
периментальной установки в реальном масштабе времени и для дос-
тижения оптимальных результатов эксперимента;

– обеспечение после проведения эксперимента обработки первич-

ных данных на всех уровнях вплоть до уровня интерпретации резуль-
татов эксперимента;

– обеспечение должной степени гибкости и открытости АСЭИ для

ее применения без существенных поправок при изменении условий
или задач эксперимента.

Эффективность разработанной АСЭИ оценивается эффективно-

стью, прежде всего, самого эксперимента, которую формально можно
описать через объем новой первичной информации. Под информатив-
ностью же экспериментальной установки понимают соотношение ме-
жду выходной и входной информацией, во многом определяемое пер-
вичными детекторами физических величин и методикой эксперимен-
та. Именно первичные преобразователи «вырезают» из бесконечного
«пирога» информации конечную «порцию», которая далее еще преоб-
разуется: фильтруется, интегрируется, квантуется и т. д., и в итоге за-
писывается в качестве первичных данных на различные долговремен-
ные запоминающие устройства и вместе с параметрами эксперимен-
тальной установки тщательно оберегается от стирания, как «золотой»
фонд эксперимента.

АСЭИ состоит из объекта эксперимента и устройства сопряжения

с объектом, в которое входят измерительная и управляющая части, а
также из компьютера, являющегося «мозгом» всей системы (см. рис.).
Способ наполнения устройства сопряжения с объектом измеритель-
ными блоками зависит от конкретного экспериментального объекта,
количества каналов измерения и управления, мощности, частотных
характеристик и динамического диапазона измеряемых сигналов, и
методики проведения экспериментов.

Задача измерений физических величин включает в себя:
– съем показаний с датчиков, установленных на объекте исследо-

вания;

– преобразование полученных данных в цифровую форму для

ввода в вычислительную машину;

– обработку результатов измерений при помощи компьютерной

техники.

Типовые структуры схемы:

а  – самой АСЭИ; б – измерительной системы

Обработка данных в реальном масштабе времени дает возмож-

ность адаптировать параметры измерительной и управляющей систем
исходя из текущего состояния эксперимента и, следовательно, повы-
сить его эффективность.

Средства автоматизации должны обладать достаточным уровнем

гибкости (например, для повышения требуемых точности и диапазона
измерений) и открытости (например, для добавления измерения каких
либо новых переменных величин), чтобы расширять возможности
эксперимента, получать новую информацию в относительно короткие
сроки, тем самым сокращать время эксперимента и экономить люд-
ские и материальные ресурсы.

Для осуществления управления отдельными элементами измери-

тельной системы и режимами работы установки изготовляется про-
грамма системы сбора данных. Она, как правило, включает в себя
блоки, отвечающие за выполнение следующих функций:

– сбор и накопление больших объемов экспериментальных дан-

ных, первичную обработку поступающей информации в реальном
масштабе времени для выделения каких-либо необходимых событий;

– оперативный вывод контрольной информации о ходе экспери-

мента;

– управление ходом и условиями эксперимента;
–  стабилизацию параметров экспериментальной установки;

а

б

–  автоматическое управление установкой.
Программное обеспечение автоматизированной системы сбора

данных может быть написано с использованием любого языка про-
граммирования, с которым достаточно хорошо знаком исполнитель
проекта. Это могут быть Паскаль, Фортран, Delphi, C++, Microsoft
Visual C++, Borland C++ Builder.

При создании программного обеспечения АСЭИ может быть ис-

пользована другая технология, базирующаяся на понятии «виртуаль-
ного» инструмента, с применением графического пакета LabVIEW
фирмы National Instruments [1]. Для этого необходимы одна или не-
сколько плат сбора данных (ПСД), которые возьмут на себя всю
заботу о вводе в компьютер аналоговой и цифровой информации.
Подбор плат сбора данных зависит от типа решаемой задачи. Эти
платы могут реализовывать функции обычных измерительных
приборов или решать уже более конкретные задачи, включающие
последующую обработку сигналов и выдачу управляющих сигна-
лов. Таким образом, можно реализовать все функции осциллогра-
фов, спектроанализаторов, вольтметров, генераторов и других
приборов непосредственно на персональном компьютере.

Суть этой технологии заключается в эмуляции ряда измеритель-

ных приборов программным обеспечением, созданным при помощи
визуального графического языка программирования G, иными слова-
ми, программное обеспечение эмулирует переднюю панель уже
знакомого прибора, и управление этим виртуальным прибором
осуществляется с помощью мыши.

Такой прибор может полностью заменить обычный осцилло-

граф. Кроме того, можно вести базу данных сигналов и сохранять
всю необходимую информацию на диске. После сохранения фай-
лы можно легко загружать в любой из стандартных пакетов обра-
ботки (Excel, MatLab и др.).

На базе одной платы сбора данных, содержащей аналого-

цифровой преобразователь (АЦП), можно реализовать несколько
приборов, так как плата АЦП является универсальным устройст-
вом ввода аналоговой информации в компьютер. Функции различ-
ных приборов реализуются программным обеспечением. Кроме
осциллографа, на той же плате можно реализовать функции спек-
троанализатора, частотомера, вольтметра, самописца, и даже при-
бора, которого нет в реальности и функции которого придуманы и
заданы самим экспериментатором.

Виртуальные приборы решают проблемы интеграции вставных

плат в системы только отчасти: работа по их подключению так же

непроста, как работа по подключению реальных. Для создания
многофункциональных систем автоматизации вставные платы
должны иметь интегрированные программные оболочки, объеди-
няющие в себе функции настройки и управления платой, много-
оконной организации сбора, представления и обработки данных,
сохранения данных в виде файлов или в формате таблиц баз дан-
ных и создания специальных баз данных этих таблиц. Как прави-
ло, такие оболочки содержат и весь набор функций виртуальных
приборов. Кроме того, оболочки должны в полной мере реализо-
вывать принципы построения открытых систем для возможности
интегрировать в себя другие программы и быть интегрированными
в большую систему.

Для проведения статистической обработки результатов экспери-

мента допускается использовать стандартные математические пакеты,
такие как Excel, Statistica, Origin, Maple, MathCad и др.: главное, чтобы
была обеспечена совместимость или переносимость данных из про-
граммы управления экспериментом. Как правило, стандартные пакеты
обладают очень мощными математическим аппаратом и изобрази-
тельными средствами, поэтому в рамках выполнения курсового про-
екта студенту не стоит соревноваться с коллективом профессиональ-
ных программистов.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Выполняя работу, студент должен освоить современные методы

расчета и экспериментального исследования гидродинамики и тепло-
обмена при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости,
а также методы оценки достоверности полученных результатов. Для
получения количественных закономерностей исследуемых процессов
применяют два метода исследований: математическое моделирование
и экспериментальное исследование.

Математическое (компьютерное) моделирование основано на

численном решении системы уравнений, описывающих изучаемое
явление.

В рамках курса «Вычислительная теплопередача и гидродинами-

ка» студенты изучают программный комплекс ДСПТ «Двумерные
стационарные параболические течения», предназначенный для ре-
шения стационарных двумерных уравнений с частными производ-
ными параболического типа (уравнений пограничного слоя).

В результате выполнения вычислительной части работы сту-

дент должен определить параметры, характеризующие гидроди-

намику и теплоотдачу, путем численного решения системы диффе-
ренциальных уравнений, описывающих процессы переноса количе-
ства движения и теплоты. Используя знания, полученные в теорети-
ческом курсе «Вычислительная гидродинамика и теплопередача»,
студент должен составить программу расчета, отладить ее и рассчи-
тать параметры процесса теплопередачи для заданных условий в за-
данных точках установки или течения при различных режимах работы
установки.

В программном комплексе ДСПТ при переходе от дифференци-

альных уравнений с частными производными к системе дискретных
(разностных) уравнений используется неявная конечно-разностная
схема, которая позволяет решать уравнения с достаточно большими
шагами вдоль продольной координаты без возникновения неустойчи-
вости.

Программный комплекс построен по модульному принципу, ис-

ходные модули написаны на языке Фортран. Сам комплекс состоит
из трех блоков. Основной блок построен на основе методов числен-
ного решения систем уравнений параболического типа. Во второй
блок (блок пользователя) входят условия однозначности, соответст-
вующие каждой конкретной задаче. Третий блок содержит различ-
ные задачи, решенные с помощью программного комплекса. В него
включены: постановка задачи; математическая модель, система диф-
ференциальных уравнений с граничными условиями; исходные мо-
дули программ, а также результаты решений и анализ этих результа-
тов. Выполненные студентами оригинальные работы пополняют тре-
тий блок программного комплекса.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Каждый студент под наблюдением преподавателя проводит экс-

периментальное исследование, но перед этим он должен изучить ус-
тановку, порядок работы на ней, освоить классические методы диаг-
ностики пограничного слоя.

В заключении курсового проекта проводят сравнение и анализ

экспериментально полученных локальных коэффициентов трения и
чисел Стэнтона с известными законами трения и теплообмена при
безградиентном обтекании гладкой поверхности неизотермичным по-
током.

Работу следует строить таким образом, чтобы в ней использовались 
все современные методы расчета гидродинамики и теплоотдачи,