Устройство для определения теплопроводности материалов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы , сосредоточенный источник те ловой энергии, радиометр и аналого вый регистратор, входом подключенный к выходу радиометра, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности устройства и точности определения теплопроводногти , в него введены второй радиометр, выходом подключенный к второму входу аналогового регистратора , эталонный образец с известной теплопроводностью, закрепленный на подвижной платформе, два датчикаограничителя перемещения платформы, три триггера, элемент ИЛИ и ши-. на Пуск, причем первый вход привода платформы подключен к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен с выходом первого датчика -ограничителя, нулевым входом второго триггера и первым входом элемента ИЛИ, второй вход привода платформы подключен к единичному выходу второго триггера, единичный вход которого соединен с выходом второго датчика-ограничителя , нулевым входом первого триггера и вторым ВХОДОМ элемента ИЛИ, а третий вход привода платформы подключен к управляющему входу аналогового регистратора и единичному выходу третьего триггера, единичный .вход которого подключен к шине Пуск, а нулевой вход - к выходу элемента ИЛИ.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧ ЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(5D G 01 И 25 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф а

1 пус

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21} 3522863/18-25 (22) 16.12.82 (46) 15.02.84. Вюл, Р 6 (72} H.Â.Ååpåçèê,. В.М.Коростелев и Ю.A.Ïîïîâ (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени геологоразведочный институт им. Серго Орджоникидзе (53} 536 6(088.8) (56) 1.Курепин В.B. Вегункова A.Ä.

Сравнительный метод измерения теплопроводности. — Инженерно-физический журнал, том 29, М 4, с. 618.

2. Любимова Е.A., Масленников A.È., Смирнова Е.В., Юрчак P.Ï.

Изучение теплофизических свойств пород при нормальных и повышенных

P и Т. Труды Всесоюзной конференции

"Народнохозяйственные и методические проблемы геотермии". Махачкала, 1979, т. 2, с. 114, 3. Попов Ю.А. Некоторые особенности применения активного тепловго метода контроля. — "Дефектоскопия", 1975, Р 2, с, 56 (прототип). (54)(57) УСТРОИСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, соДеР жашее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, сосредоточенный источник тепловой энергии, радиометр и аналоговый регистратор, входом подключен„„SU„„1073666 ный к выходу радиометра, о т л ич ающ е е с я тем, что, с целью повышения производительности устройства и точности определения теплопроводности, в него введены второй радиометр, выходом подключенный к второму входу аналогового регистратОра, эталонный образец с известной теплопроводностью, закрепленный на подвижной платформе, два датчикаограничителя перемещения платформы, три триггера, элемент ИЛИ и ши-. на "Пуск", причем первый вход привода платформы подключен к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен е выходом первого датчика -ограничителя, нуле- @ б2 вым входом второго триггера и первым входом элемента ИЛИ, второй вход привода платформы подключен к единичному выходу второго триггера, С единичный вход которого соединен с выходом второго датчика-ограничи- Я теля, нулевым входом первого тригге-,, ра и вторым .входом элемента ИЛИ, а третий вход привода платформы под- ( ключен к управляющему входу аналогового регистратора и единичному выходу третьего триггера, единич- (ф ный,вход которого подключен к шине

"Пуск", а нулевой вход — к выходу элемента ИЛИ.

1073ббб

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплопровадности материалов, в том числе горных пород.

Известно устройство для определе- 5 ния теплопроводности материалов, содержащее два приводимых в тепловой контакт измерительных блока, в одном из которых размещен электрический нагреватель, а в другом — тепломер, 10 состоящий из контактной медной плас. тины, в которой монтируются термо-пара и спаи термобатареи, и рабочего слоя, а также защитные теплоизалирующие оболочки, гальванометр и термометр f1 ).

Недостатками этого устройства являются низкая точность определения теплопроводнасти высокатеплопровадных образцов и образцов горных пород, для которых характерны значительная тре.— щиноватость, пористость, зернистость, из-за влияния контактного теплового сопротивления исследуемых тел на результаты измерений (2 g, а также низкая производительность вследствие большой продолжительности процесса одного измерения, составляющей единицы минут.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемо-ЗО му результату является устройство для определения теплопроводности материалов, содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, сосредоточенный источник 35 тепловой энергии, радиометр и аналоговый регистратор, входом подключенный к выходу радиометра,(3).

Недостатками известного устройства являются низкая производительность, 40 обусловленная тем, что устройство позволяет определять избыточные температуры нагреваемых поверхностей исследуемых образцов, необходимые для ,определения их геплоправадности,лишь в результате двукратного процесса перемещения платформы с образцами относительно радиометра (сначала с выключенным источником энергии, а затем с включенным), а также низкая точность, обусловленная тем, чта устройство из-за отсутствия в нем эталонного образца с известной теплапроводностью позволяет проводить лишь качественную оценку теплоправодности исследуемых образцов, не обеспечивая возможности получения количественных значений теплопроводности.

Цель изобретения - повышение производительности устройства и точности определения теплопроводности мате-60 риалов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения .теплопроводности материалов, содержащее соединенные последовательно подвижную 6g платформу и при вад платформы, сосредоточенный источник тепловой энергии, радиометр и аналоговый регистратор, введены второй радиометр, выходом подключенный к второму. входу аналогового регистратора, эталонный образец с известной теплоправаднастью, закрепленный на подвижной платформе, два датчика-ограничителя перемещения платформы, три триггера, элемент ИЛИ и шина "Пуск", причем первый вход привода платформы подключен к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен с выходом первого датчикаограничителя, нулевым входом второго триггера и первым входом элемента ИЛИ, второй вход привода платформы подключен к единичному выходу второго триггера, единичный вход которого соединен с выходом второго, датчика — ограничителя, нулевым входом первого триггера и вторым входом элемента ИЛИ, а третий вход привода платформы подключен к управляющему входу аналогового регистратора и единичному выходу третьего триггера, единичный вход которого подключен к шине "Пуск", а нулевой вход — к выходу элемента ИЛИ.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство для определения теплоправоднасти твердых тел содержит подвижную платформу 1 с закрепленным на ней эталонным образцом.2 с известной теплоправаднастью, привод 3 платформы, сосредоточенный источник 4 тепловой энергии, радиометры 5 и 6, аналоговый регистратор 7, датчики-ограничители 8 и 9 перемещения платформы, триггеры 10, 11 и 12, элемент ИЛИ 13 и шину

"Пуск" 14.

Платформа 1 с закрепленным на ней эталонным образцам 2 механически связана с приводом 3. Первый вход привода платформы соединен с единичным выходом триггера 10. Единичный вход триггера 10 подключен к выходу датчика-ограничителя 8 перемещения платформы, нулевому входу триггера 12 и первому входу элемента ИЛИ 13. Второй вход привода 3 соединен с единичным выходом триггера 12. Единичный вход триггера 12 подключен к выходу датчика-ограничителя 9, нулевому входу триггера 10 и второму входу элемента ViJIVi 13.

Третий вход привода 3 соединен с управляющим входом аналогового регистратора 7 и единичным выходом триггера 11, единичный вход которога подключен к шине "Пуск" 14, а нулевой вход - к выходу элемента HJIH 13, Выход радиаметра 5 подключен к первому входу аналогового

1073666 регистратора 7, а выход радиометра 6 — к второму входу аналогового регистратора 7.

Исследуемые образцы 15-1, 15-2, 15-и располагают на платформе 1 последовательно с эталонным об- 5 разцом 2. Эталонный и исследуемые образцы уотанавливают так, чтобы их рабочие поверхности были перпендикулярны оптическим осям сосредоточенного источника 4,и радиометров 5 и б. Сосредоточенный источник 4 и радиметры 5 и б, устанавливаются таким образом, чтобы нагрев эталонного и исследуемых образцов и регистрация температуры их рабочих поверхностей происходили по одной прямой.

Для установки устройства в исходное состояние платформа 1 с расположенными на ней образцами приводится в контакт с одним из датчиков-ограничителей перемещения платформы, например, с датчиком-ограничителем 8.

При этом на выходе указанного датчика появляется сигнал, которым триггер 10 устанавливается в единичное состояние, а триггеры 11 и 12 — в нулевое. Единичный сигнал с выхода триггера 10, поступая на первый вход привода 3, переводит привод в режим перемещения платформы 1 в направлении от датчика 8 к датчику 9. Нулевой сигнал с выхода триг- гера 11, поступая на третий вход привода 3, запрещает перемещение платформы 1 и, поступая на управляю- 35 щий вход аналогового регистратора 7, обеспечивает выключенное состояние его лентопротяжного. механизма (или устройства развертки).

При поступлении запускающего сиг- 4() нала на шину "Пуск" 14 триггер 11 переключается в единичное состояние.

Единичный сигнал с его выходй, поступая на третий вход привода 3, разрешает перемещение платформы 1 с образцами, она начинает равномерно перемещаться относительно сосредоточенного источника 4 и радиометров 5 и 6 по направлению к датчикуограничителю 9. Кроме того, единичный сигнал с выхода триггера 11, поступая на управляющий вход аналогово,го регистратора 7, включает его лентопротяжный механизм (устройство развертки). При перемещении платфор.мы 1 радиометр 5 последовательно регистрирует температуру рабочих поверхностей ненагретых эталонного 2 и исследуемых 15-1, 15-2, . ° ., 15-п образцов, а радиометр б регистрирует температуру рабочих поверхнос-ей 60 рассматриваемых тел их нагрева сосредоточенным источником 4 тепловой энергии °

Выходные сигналы радиометра 5, уровни которых пропорциональны температурам рабочих поверхностей не- нагретых образцов, т.е. их начальным температурам, регистрируются на носителе информации аналогового регистратора 7 в первом канале, а вы-. ходные сигналы радиометра б, уровни которых пропорциональны температурам рабочих поверхностей нагретых образцов — во втором канале.

При достижении платформой 1 датчика-ограничителя 9 (это происходит после того, как последний из серии исследуемых образцов выйдет из поля зрения радиометра б ) на его выходе появляется сигнал, которым триггер 12 устанавливается в единичное состояние, а триггеры 10 и 11 — в нулевое.

Единичный сигнал с выхода триггера 12, поступая на второй вход привода 3, переводит привод в режим перемещения платформы 1 от датчика 9 к датчику 8. Нулевой сигнал с выхода триггера 11, поступая на третий вход привода 3, запрещает перемещение платформы 1 и, поступая на управляющий вход аналогового регистратора 7, вы .лючает его лентопротяжный механизм (устройство развертки), прекращая перемещения носителя информации.

После установки на платформу 1 новой серии исследуемых образцов устройство готово к следующему процессу измерений. В зтом случае при поступлении запускающего сигнала на шину "Пуск" 14 перемещение платформы 1 с образцами происходит по направлению к датчику-ограничителю 8, причем радиометр б регистрирует начальные температуры рабочих поверхностей образцов, а радиометр 5температуры этих поверхностей после их нагрева сосредоточенным источником 4 тепловой энергии.

По окончании каждого процесса измерений на носителе информации аналогового регистратора (например, на диаграммной ленте ) будут зарегистрированы две последовательности сигналов, одна из которых соответствует начальным температурам рабочих поверхностей установленных на подвижной платформе образцов, а другая — их температурам после нагрева. Для каждого из исследуемых образцов и эталонного образца разность уровней сигналов, соответ ствующих нагретому и ненагретому состояниям, пропорциональна избыточной температуре рабочей поверхности образца.

Известно, что для описанного режима нагрева образцов и регистрации температуры их рабочих поверхностей справедлива..формула

ЭТ аЕР Эт 8 сбр

10736бб

Составитель В .Битюков

Редактор Л.Алексеенко Техред О,Неце Корректор Л.Зимокосов

Заказ 320/42 Тираж В2„ Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,.Москва, Ж-35, Раушская наб., д,. 4/5

Щ Ф"

Филиал ППП "ПатеНт", г.ужгород, ул,Проектная, 4 где 30 <, 8>> - коэффициенты теплопроводности соответственно исследуемого и эталонного образцов

В,9 . - избыточные температуры рабочих поверхностей соответственно исследуемого и эталонного образцов.

Таким образом, предложенное устройство путем определения избыточных температур рабочих поверхностей исследуемых образцов 15-1, 15-2„

° ° ., 15-и и эталонного образца 2. . позволяет, используя указанную формулу, определить теплопроводность .каждого из исследуемых образцов, Предложенное устройство по срав- нению с устройством-прототи дм обладает вдвое большей производительностью, позволяя определять избыточные температуры образцов при однократном перемещении платформы относительно радиометров, а также большей точностью, поскольку наличие в составе устройства эталонного об.разца с известной теплопроводностью позволяет получать количественные значения теплопроводности исследуемых образцов.

В лабораторном макете предложенного устройства в качестве сосредоточенного источника тепловой энергии испОльэовался лазер типа ИЛГН705. Площадь пятна нагрева не превышала 3 мм . В качестве бесконтакт-, ных измерителей температуры поверхностей образцов испольэовались лабораторные радиометры, имеющие спект- . ральный диапазон 2-20 мкм и разрешающую способность по температуре

0,1 К. Размеры площадки, с которой радиаметры воспринимали тепловое излучение, 1 мм . В приводе платфор2 мы использовался электродвигатель постоянного тока. Изменение режима работы привода осуществлялось коммутацией напряжения питания электродвигателя.

Случайная пОгрешность измерений коэффициента теплопроводности исследуемых сбраэцов в диапазоне 1

15 Вт/м К не превышала 2-33, Для выравнивания иэлучательной способности исследуемых образцов на рабочую поверхность каждого образца наносилось специальное покрытие, имеющее коэффициент излучения близкий к единице,, 10-20 мкм, При изменении качества обработки поверхности образца от полированной поверхности до шероховатой со среднеквадратическим значением шероховатости 1 мм результаты измерений коэффициента теплопроводности не выходили эа пределы случайной погрешности.