Устройство для комплексного измерения теплопроводности и теплоемкости материалов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ, состоящее из внешней адиабатической оболочки с нагревателем, внутри которой расположена первая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки на одну из контактных плоскостей образца, первой дифференциальной термопары со спаями во внешней адиабатической оболочке и первой теплопроводящей пластине, второй дифференциальной термопары, один из спаев которой расположен в первой теплопроводящей пластине , и двух регуляторов температуры , причем выходы первого подключе- . ны к нагревателю внешней адиабатической оболочки, а к входам второго, выходы которого подключены к нагревателю первой теплопроводящей пластины v подключена вторая дифферекциг альная термопара, отличают е с я тем, что, с целью повьшения точности измерения, дополнительно введены вторая Феплопроводящая пластина с нагревателем для установки 1на противоположную контактную плоскость образца, задатчик скорости нагрева , подключенньш к нагревателю второй теплопроводящей пластины, сумма-тор , выходы которого подключены к входам первого регулятора температу-. ры, адиабатическая оболочка первой теплопроводящей пластины с нагревателем , окружающая первую теплопроводящую пластину до плоскости ее контакта с образцом, адиабатическая оболочка второй теплопроводящей пластин{ 1 с нагревателем, окружающая вторую теплопроводящую пластину до плоскости (Л ее контакта с образцом, третья дифференциальная термопара со спаями в первой теплопроводящей пластине.и адиабатической оболочке первой пластины , четвертая дифференциальная термопара со спаями во второй теплопроводящей пластине и адиабатической оболочке второй пластины, третий регулятор температуры, входы которого подключены к третьей дифференциальной термопаре, а выходы - к нагревателю адиабатической оболочки первой теплопроводящей пластины, и четвертый регулятор температуры, входы которого подключены к четвертой дифференциальной термопаре, а выходы - к нагревателю адиабатической оболочки второй теплопроводящей пластины, кроме того, первая дифференциальная термопара подключена к первым входам сумматора, а вторая ,свободный спай которой помещен во вторую теплопроводящую пллстину, подключена дополнительно к вторым входам сумматора.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PECOVSËÈК (1m а) ЭЮ С Ol 1 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

9 р »зщт з;, р !

l i l + 1 р н р

4 еаз

1 е зать з аз „ьае тм. а » а f ii lf l!O Гф Р,: (2 l ) 3661814/24-25 (22) 21.11.83 (46) 30.11.84. Бюл. 11р 44 (72) В.М. Козин, Г.Я. Соколов, Е.С. Платунов и Т.П. Васильева (71) Лениградский ордена Трудового

Красного Знамени технологический институт холодильной промьппленности (53) 536.6(088.8) (56) 1. Курепин В.В., Петров Г.С., Карпов В.Г., Буравой С.E.

Промышленные теплофиэические приборы первого поколения. — "Промышлен" ная теплотехника", 1981, т.3, !1 1, с.29-34.

2. Авторское свидетельство СССР

Ир 949447, кл. С Ol N 25/18, !982 (прототип), (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ, состоящее из внешней адиабатической оболочки с нагревателем, внутри которой расположена первая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки на одну из контактных плоскостей образца, первой дифференциальной термопары со спаями во внешней адиабатической оболочке и первой теплопроводящей пластине, второй дифференциальной термопары, один из спаев которой расположен в первой теплопроводящей пластине, и двух регуляторов температуры, причем выходы первого подключе- . ны к нагревателю внешней адиабатической оболочки, а к входам второго, выходы которого подключены к нагревателю первой теплопроводящей пластины, подключена вторая дифференци-. альная термопара, о т л и ч а ю щ ес я тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены вторая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки ,на противоположную контактную плоскость образца, задатчик скорости нагрева, подключенный к нагревателю второй теплопроводящей пластины, сумматор, выходы которого подключены к входам первого регулятора температуры, адиабатическая оболочка первой теплопроводящей пластины с нагревателем, окружающая первую теплопроводящую пластину до плоскости ее контакта с образцом, адиабатическая оболочка второй теплопроводящей пластины с нагревателем, окружающая вторую g теплопроводящую пластину до плоскости ее контакта с образцом, третья диффе- (/) ренциальная термопара со спаямн в первой теплопроводящей пластине и адиабатической оболочке первой плас- р тины, четвертая дифференциальная термопара со спаями во второй теплопроводящей пластине и адиабатической оболочке второй пластины, третий регулятор температуры, входы которого подключены к третьей дифференциальной «ф термопаре, а выходы — к нагревателю адиабатической оболочки первой теплопроводящей пластины, и четвертый регулятор температуры, входы которого подключены к четвертой дифференциальной термопаре, а выходы — к нагрева- . телю адиабатической оболочки второй «ф» теплопроводящей пластины, кроме того, первая дифференциальная термопара подключена к первым входам сумматора, а вторая, свободный спай которой помещен во вторуютеплопроводящую пластинулюдключена дополнительно к вторым входам сумматора.

1 126852 2 Изобретение относится к измерению теплофизических характеристик ма- териалов и может быть использовано для исследования температурной зависимости коэффициента теплапроводнос- g ти Я и удельной теплоемкости С различных материалов.

Известно устройство для комплексного измерения теплопроводности и теплоемкости материалов, "остоящее tO иэ теплозащитной оболочки и измерительного ядра, включающего нагревательный блок с основанием, на котором смонтирован тепломер, пластину и адиабатическую оболочку, снабженную нагревателем, температура которой с помощью регулятора, .выход которого подключен к нагревателю, и дифференциальной термопары со спаями в пластине и адиаоатической обо- 2б лочке, подключенной к входу регулятора, поддерживается равной температуре пластины. При проведении измерений образец устанавливается между тепломером и пластиной, а с 25 помощью нагревательного блока осуществляется его монотонный разогрев (1)

Недостатком устройства является ! ограниченная точность, обусловленная измерением теплового потока с помощью тепломера, требующего градуи" ровки по образцовым мерам, долей неучтенного теплового потока с боко" вой поверхности образца вследствие

35 адиабатиэации по температуре пластины," а также отличием условий эксперимента на двух стадиях испытания от оптимальных.

Наиболее близким к предлагаемому ® является устройство для комплексного измерения теплофиэических характеристик материалов, состоящее из внешней адиабатической оболочки с нагревателем, внутри которой распо- 45 ложена первая теплопроводящая пластина с.нагревателем для установки на одну из контактных плоскостей образца, первой дифференциальной термопары со спаями во внешней адиабати->О ческой оболочке и первой теплопроводящей пластине, второй дифференциальной термопары, один из спаев которой расположен в первой теплопроводящей пластине, и двух регуляторов Я температуры, причем выходы первого подк,пючены к нагревателю внешней адиабатической оболочки, а к входам второго, выходы которого подключены к нагревателю первой теплопроводящей пластины, подключена вторая дифференциальная термопара, При проведении измерений образец устанавливается . между тепломером и пластиной. С помощью нагревательного блока осуществляется монотонный разогрев, на фоке которого периодически устанавливается перепад на образце 5-50 К для измерения и нулевой для измерения С j2)

Недостатком данного устройства является ограниченная точность, обусловленная измерением теплового потока с помощью тепломера, требующего градуировки по образцовым мерам, а также долей неучтенного теплово"о потока с боковой поверхности образца вследствие адиабатизации по температуре пластины.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для комплексного измерения теплопроводности и теплоемкости материалов, состоящее иэ внешней адиабатической оболочки с нагревателем, внутри которой расположена первая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки на одну иэ контактных плоскостей образца, первой дифференциальной термапары со спаями во внешней адиабатической оболочке и первой теплопроводящей пластине, второй дифференциальной термопары, один из спаев которой расположен в первой теплопроводящей пласти.не, и двух регуляторов температуры, причем выходы первого подключены к нагревателю внешней адиабатической оболочки, а к входам второго, выходы ко-.орого подключены к нагревателю первой теплопроводящей пластины, подключена вторая дифференциальная термопара, дополнительно введены вторая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки на противоположную контактную плоскость образца, эадатчик скорости нагрева, подключенный к нагревателю второй теплопроводящей пластины, сумматор, выходы которого подключены к входам первого регулятора температуры, адиабатическая оболочка первой теплопроводящей пластины с нагревателем, окружающая первую теплопроводящую пластину до плоскости ее контакта с образцом, 3 1! 2 адиабатическая оболочка второй теплопроводящей пластины с нагревателем, окружающая вторую теплопроводящую пластину до плоскости ее контакта с образцом, третья дифференциальная термопара со спаями в первой теплопроводящей пластине и адиабатической оболочке первой пластины, четвертая дифференциальна термопара со спаями во второй теплопроводящей пластине и адиабатической оболочке второй пластины, третий регулятор температуры, входы которого подключены к третьей дифференциальной термопаре, а Выходы — к нагревателю адиабатичес- 1 кой оболочки первой теплопроводящей пластины, и четвертый регулятор температуры, входы которого подключены к четвертой дифференциальной термопаре„ а выходы — к нагревателю адиабатической оболочки второй теплопроводящей пластины, кроме того, первая дифференциальная термопара подключена к первым входам сумматора, а. вторая, свободный спай которой поме- 25 щен во вторую теплопроводящую пластину, подключена дополнительно к вторым входам сумматора.

На чертеже схематически изображе но предлагаемое устройство, общий вид.

Устройство содержит внешнюю адиабатическую оболочку 1 с нагревателем 2, внутри которой расположены 3s первая теплопроводящая пластина 3 с нагревателем,4, вторая теплопроводящая пластина 5 с нагревателем 6, прилегающие к противоположным контактным плоскостям образца 7, адиа- 40 батическая оболочка 8 первой тепло" проводящей пластины 3, снабженная нагревателем 9, и адиабатическая оболочка 10 второй теплопроводящей пластины 5, снабженная иагревате - 45 лем 11. Адиабатическая оболочка 8 первой теплопроводящей пластины 3 окружает эту пластину до плоскости ее контакта с образцом 7 и зафиксирована на ней с воздушным зазором с 50 помощью штифтов 12, а адиабатическая оболочка !О второй теплопроводящей пластины 5 окружает укаэанную пластину до плоскости ee контакта с образцом 7 и зафиксирована на ней с 55 воздушным зазором с помощью штифтов 13. Адиабатическая оболочка 10 второй теплопроводящей пластины 5

6852 4 снабжена двумя неподвижно закрепленными в ней направляющими 14, а адиабатическая оболочка 8 первой" тепло.— проводящей пластины 3 "имеет два от- . верстия и может свободно перемещаться в осевом направлении по направляющим 14. Первая дифференциальная термопара 15, спаи которой расположены во внешней адиабатической оболочке I и первой теплопроводящей пластине 3,. подключена к первым входам сумматора 16, а вторая дифференциальная термопара 17, спаи которой расположены в первой теплопроводящей пластине 3 и второй теплопроводящей пластине 5, подключена к вторым входам сумматора 16 и к входам второго регулятора 18 температуры. К входам первого регулятора 19 температуры подключены выходы сумматора 16, вырабатывающего электрический сигнал, пропорциональный разности между температурой внешней адиабатической оболочки 1 и средним арифметическим температур на контактных плоскостях образца 7 путем сложения электрических сигналов первой дифференциальной термопары 15 и второй дифференциальной термопа" ры !7 в соотношении 2:I. Первый ре" гулятор 19 температуры, выходы которого подключены к нагревателю 2 внешней адиабатической оболочки !, обеспечивает поддержание температуры этой оболоки, равной среднему . арифметическому температур на кон-. тактных плоскостях образца 7, а второй регулятор 18 температуры, выходы которого подключены к нагревателю 4 первой теплопроводящей пластины 3, обеспечивает поддержание заданного перепада температур на контактных плоскостях образца 7. Нагреватель 6 второй теплопроводящей пластины 5, подключенный к выходам задатчика 20 скорости нагрева, который представляет собой стабилизированный источник постоянного напряжения с регулируемым напряжением на выходах, RBJIBt ется ведущим и определяет скорость разогрева образца 7 в устройстве.

Третий регулятор 21 температуры, к входам которого подключена третья дифференциальная термопара 22 со спаями в первой теплопроводящей пластине 3 и адиабатической оболочке 8 первой теплопроводящей пластины 3, а к выходам — нагревателю 9 адиабатической оболочки 8 первой теплопроl 126852 водящей пластины 3, обеспечивает адиабатические условия первой теплопроводящей пластины 3, а четвертый регулятор 23 температуры, к входам которого подключена четвертая дифференциальная термопара 24 со спаями

so второй теплопроводящей пластине 5 и адиабатической оболочке 10 второй тенлопроводящей пластины 5, а к выходам — нагреватель ll адиабатической оболочки 10 второй теплопроводящей пластины 5, обеспечивает адиабатические условия второй теплопроводящей пластины 5. Внешняя адиабатическая обрлочка 1 обеспечивает условие минимизации суммарного теплового потока с боковой поверхности образца 7, а также облегчает работу наг" ревателей 9 и 11 адиабатических оболочек 8 и 10 первой и второй теплопроводящих пластин 3 и 5 соответственно, создавая температурный фон с градиентом, равным половине перепада температур на контактных плоскостях образца 7. Внешняя адиабатическая оболочка 1 конструктивно выполнена в виде полого цилиндра, что дает возможность свободного доступа в зону расположения образца 7 при его земене после осевого смещения внешней адиабатической оболочки 1. Такое техническое решение ста-. ло-возможным благодаря наличию адиа, батических оболочек 8 и 10 первой и второй теплопроводящих пластин 3 и 5 соответственно, экранирующих торцовые поверхности, не замкнутые внешней адиабатической оболочкой 1.

Устройство работает следующим образом.

На вторуь. теплопроводящую пластину 5 устанавливается испытуемый образец 7, на который по напрявляющим 14 опускается первая теплопроводящая пластина 3 с адиабатической оболочкой 8 .первой теплопроводящей пластины 3, после чего снаружи одевается внешняя адиабатическая оболочка l. Устройство разогревается с помощью нагревателя 6 второй теплопроводящей плвстины 5 со скоростью около 0,1 К/с, которую. обеспечивает

5 предварительная настройка задатчи" ка 20 скорости нагрева. В ходе опыта на различных уровнях температуры измеряются электрические мощности, выделяющиеся в нагревателях 4 и 6 первой н второй теплопроводящих пластин 3 и 5, а также перепад температур на контактных плоскостях испытуемого образца 7. Расчет искомых теплофизнческих характеристик: ведется по соотношениям, полученными путем решения задачи теплопроводности для монотонно разогреваемой пластины.

Эти соотношения без учета контактного термического сопротивления имеют вид

h (W -Ы)-(С -С,) Ь

ФФ

2S ч с- — — -(с -с))

1 1, + 1 а ь 1 1 где h, S - высота и площадь поперечного сечения; ш — масса образца;

W1, W2- электрическая мощность, выделяющаяся в первой и второй теплопроводящих пластинах;

С,С2 — теплоемкость первой и второй теплопроводящих пластин; перепад температур на контактных плоскостях образца;

49

Ь вЂ” скорость разогрева образца.

Испытания показали, что погрешность измерений искомых величин Я и С не превышает 3,57 в отличие от

45 известных устройств, у которых она имеет величину порядка 10Х, при этом точность измерений повысилась в

2,9 раза.

1126852

Составитель В. Гусева .

Редактор Л.Алексеенко Техред А.Бабинец Корректор Г.Огар

Заказ 8б83/32 Тираж 822 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и отрытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4