Устройство для определения теплофизических параметров веществ

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ, включающее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерений, нагревательный элемент состоит из двух подключенных к импульсному источнику питания электродов в виде коаксиальных полых цилиндров, причем внешний электрод помещен в термостат, внутренняя поверхность внутреннего электрода покрыта теплоизоляцией, а датчик тем- , пературы расположен на его внешней поверхности.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (!9) (П) 1(5)) G 01 N 25/1 8

pgj4WI"

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 !

I р (1

) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3599088/18-25 (22) 03 ° 06.83 (46) 07.11.84. Бюл. )р 41 (72) В.В.Калинин, A.Â.Êàëèíèí и Б.Л.Пивоваров (71) МГУ им. Yi.Â.Ëîìoíîñoâà (53) 536.63 (088.-8) (56) 1.Филиппов П.И.,Тимофеев A.Ì.

Методы определения теплофизических свойств твердых тел., Наука, 1976, с. 99.

2.Пехович A.È.,ÆHäêèõ В.М. Расче ты теплового режима твердых тел.Лрр Энергия, 1976, с. 209-211, 270 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВр включающее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерений, нагревательный элемент состоит из двух подключенных к импульсному источнику питания электродов в виде коаксиальных полых цилиндров, причем внешний электрод помещен в термостат, внутренняя поверхность внутреннего электрода покрыта теплоизоляцией, а датчик температуры расположен íà его внешней э поверхности.

1122953

Изобретение относится к устройствам для исследования теплофизических параметров веществ, в частности к геофизическим исследованиям проб .донных отложений, взятых грунтовыми трубками, скважинным геофизичесКим исследованиям и лабораторным исследованиям на образцах.

Известно уртройство для определения теплофизических параметров веществ, включающее цилиндрический 10 зонд, внедряемый в исследуемый образец, и датчик температуры, измеряющий температуру зонда в процессе эксперимента (lj .

Недостатком данного устройства является малая начальная разность температур между зондом и исследуемым веществом и соответственно низкая точность определения теплофизических параметров.

Наиболее близк (м к изобретению является устройство для определения теплофизических параметров веществ, включающее нагревательный элемент, . соединенный .с источником .питания, . и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного эле-. мента. Нагревательный элемент выполнен в виде спирали, через которую протекает электрический ток.от источника электрической энергии. Спираль З0 находится внутри. цилиндрического .ме-. таллического зонда, помещаемого.в ис-. следуемую среду, на поверхности зон- . да расположен датчик температуры..

При протекании через спираль элек- 35 трического тока тепло распространяется в окружающую среду (21 .

Однако для измерения теплофизических свойств исследуемого вещества в известном устройстве необходи" 40 мо нагреть достаточно большой объем вещества, что требует длительного времени и соответственно снижает производительность работ и увеличивает их стоимость. Кроме того, при изу-45 чении влагонасыщенных сред длительный нагрев исследуемых образцов приводит к потере точности определения их теплофизических параметров вследствие того, что в условиях длительного нагрева во влагонасыщенных породах развиваются процессы массовлагопереноса, тем самым наруШаются условия, лежащне в самой основе метода определения теплофизических параметров °

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения @ теплофизических параметров, включающем нагревательный элемент,. соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемен- 65 та, последний состоит из двух подключенных к импульсному источнику питания электродов в виде коаксиальных полых цилиндров, причем внешний электрод помещен B термостат, внутренняя поверхность внутреннего электрода покрыта теплоизоляцией, а датчик температуры расположен на его внешней поверхности.

На чертеже представлено предла- . гаемое устройство.

ЭТ

pc — = hnT+ JE

ЭФ где 5 3(хgдЦ (» 9 Z, Ц соответственно плотность тока и напряженность электрического поля)

Х, Ц> - координаты точек образцаю

b — лапласиан.

Если длительность 10 импульса электрического тока мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температуры по объему образца вследствие теплопроводности, то уравнение (1) распадается на два (3c — 5Е при 0Ф141 аТ

3t рс — - аьТ при 1

37

St о (2) (3) Поскольку в предлагаемом устройстве имеет место радиальное распреСистема из двух электродов .1 и 2, представляющих коаксиальные полые цилиндры, подключена с помощью проводов 3 и ключа 4 к импульсному источнику питания 5. В рабочем состоянии образец 6 исследуемого вещества заполняет межэлектродйое пространство, датчик 7 температуры находит- ся на поверхности электродов 2, теплоизолированных с помощью прокладок 8, выполненных..из теплризрля ционного материала, например.пенр пласта. Электроды 1 термостатирова" ны путем помещения их s термостати-. рующее устройство 9..Исследуемый образец имеет теплопроводность )( температуропроводность Я, удельную теплоемкость С, плотность .и электропроводность 6 устройство работает следующим образом.

В момент = О ключ 4 замыкается, и в исследуемом образце б.начиндет, протекать .ток. В.щщент t =.t ключ 4 размыкается, так что длительйостьимпульса тока составляет to ..В ре зультате протекания тока происходит. нагрев образца, при этом. измечение избыточной температуры T образца описывается уравнением

$122953 деление электрического поля, т.е. все компоненты как электрического, так и температурного поля зависят только от расстояния до оси цилиндра, то уравнение (2) в этом случае должно быть записано в виде

Г ас

ЬТ(,1,} )() E(„t) где напряженность Е (",t) связана с напряжением импульсного источника

0 (t) соотношением (l(,t) удовлетворяет следующим гра ничным. условиям

U(r,+)=Ц(,t) пРи 1 а. (((Я*О при r=b (6) уравнение (3) для случая радиальной симметрии принимает вид д ат ЬТ

1 с граничными условиями

ЬТ вЂ” 0 при с

Э

T(r,t ) (о} а

РС 2}lan 3(а () ) где W (t ) — электрическая энергия, выделившаяся за время t в цилиндрическом кольце, заполненном исследуе-..; мым образом;

Ь - радиус внешнего цилиндрического электродау а — радиус внутреннего цилиндрического электрода;

Ч = да (— объем внутренней цилиндрической полости;

Ь вЂ” высота цилиндров.

Измерив температуру T(а,to) на поверхности внутреннего цилиндра в момент окончания импульса тока, можно определить объемную теплоемкость

®(о} )ЧЕ. bla т(аЛ,}

Т(Я 0 при =Ъ (8)

Решая (4) с учетом (5) и (6),полу чаем

Зная вес исследуемого образца, мож- но получить и значение удельной теплоемкости.

Решая уравнение (7) с учетом граничных условий (8), получаем Формулу для расчета теоретической кривой

T(7-„t, p}, где Р bja и Т rJa;

Т(7.,6,р) Т(г,t,ð) /T(at );t * (to))a где х — коэффициент температуропроводности.

10 Если проводить измерения темпера. туры на стенке внутреннего цилиндри. ческого электрода (= 1), то теоретическая кривая т (1Л,p1 есть — функция только безразмерного времени 4 и постоянного для данного устройства параметра р . Следовательно, располагая теоретической кривой т(1, ) можно определить коэффициент температуропроводности следующим образом; определяются соответственно тем температуры Т и т по поверхности сферического электрода в моменты t

= 1 и1 = t„)t . по измеренному значению Т Т (1,0) теоретической кривой (для данного значения р ) Т (1,4) Т ° (1,1)/То и вре мени 1, определяют абсциссу t< точки на теоретической кривой, ордината которой Т (1,И По, определяют коэффициент температу30 ропроводности

У =,а !Ь

Зная величины 3? и ре можно определить и коэффициент теплопроводности $ = g.pc.

35 принципиальным для предлагаемого устройства является создание радиально-симметричных электрического и температурного полей, Отличие реальных полей от радиально-симметричных

40 или плоских обусловлено конечной высотой цилиндрических электродов.

Оценка степени этого отклоиения проведена расчетным путем по методу электростатических аналогий при анализе распределения поля в цилиндрических конденсаторах. Отличие поля от радиально-симметричного не превышает 1Ъ в случае, когда выполняется условие

Ц(Ь-о}З 3

50 . для оценки длительности нагрева т.е. длительности импульса тока и величины избыточной температу- . ры, рассмотрим практически значимый случай измерения свойств влагонасы55 щенных кловер d = 4(Ом м)-1 ; pc

= 0 5 кал/см.град; электрический ток пропускается через систему коаксиальных цилиндрических электродов высотой 1. = 5 см с радиусами Ь 2 см на 1 см, т.е. толщина образца Ь-а =

1 см, импульс тока реализуется дутем разряда конденсатора емкостью

50 мкф, заряженного до напряжения

100 В. Сопротивление,ци индрическо65 го образца равно ) = пса)*0,50м

ЖЛ6

l)22953

Составитель В.Зайченко

Редактор В.Иванова Техред Л. Микет Корректор A.Îáðó÷àð

Заказ 8131/36 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4

Тогда эффективная длительность тока

4 3QC за которую в среде выделяется 99.8% энергии W, - cu г, составляет 7 мс. При этом температура

4 (а,4) на поверхности внутреннего электрода увеличивается на .0,05 С.

Время измерения для определения коэффициента температуропроводности составляет в этих условиях 3-10 с, в то время как в известном устройстзе5-15 мин.

Использование предлагаемого способа в сравнении с известныМ обеспечивает повышение точности и уменьшение времени наблюдений.