Способ измерения теплофизических характеристик и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено для исследования теплофизических характеристик твердых тел. Цель изобретения - повышение точности измерений. Перед проведением измерения определяют перепад температуры между центром нагревателя и его точкой, находящейся на расстоянии, равном половине радиуса нагревателя. Это дает возможность определять перед измерением допустимое время ведения эксперимента и требуемую мощность нагревателя, а также получить оптимальные с точки зрения минимальной погрешности измерения величины перегрева исследуемого образца относительно начальной температуры. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. у I

СОЮЗ СЗВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 4819049/25 (22) 14..03.90, (46) 07.03.92. Бюл. N. 9 (71) Институт прикладной физики AH БССР (72) А. Г. В о йте н ко, А. В. Ста н ке в ич и А.Г.Шашков (53) 536.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1052963, кл. G 01 N 25/18, 1983.

Вержинская А.Б. и др. Новый универсальный метод определения теплофизических коэффициентов. Инженерно-физический журнал, 1960, N. 9, с. 65-68.

Авторское свидетельство СССР

N -1300363, кл G 01 N 25/18, 1987, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И .УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению, и предназначено для исследования теплофизических характеристик твердых тел.

Известен способ исследования теплофиэической характеристики — теплопроводности, состоящий в том, что поверхности исследуемого образца в виде пластины поддерживают при постоянных температурах, не равных между собой, после установления стационарного теплового режима регистрируют перепад температур и тепловой поток через пластину.

Недостатками способа являются значительное время установления стационарного теплового режима и невозможность получения данных по температуропроводности материала.

„„Я2 „„1718080 А 1 (57) Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено для исследования теплофизических характеристик твердых тел. Цель изобретения— повышение точности измерений. Перед проведением измерения определяют перепад температуры между центром нагревателя и его точкой, находящейся на расстоянии, равном половине радиуса нагревателя. Это дает воэможность определять перед измерением допустимое время ведения эксперимента и требуемую мощность нагревателя, а также получить оптимальные с точки зрения минимальной погрешности измерения величины перегрева исследуемого образца относительно начальной температуры. 2 с,п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для осуществления данного способа включает в себя два теплопроводящих блока с образцом между ними, измеритель перепада температур между блоками, 00 тепломер, два усилителя, сумматор, схему . С) задержки, схему управления, функциональ- Q) ный преобразователь и блок индикации. С)

Известен способ измерения теплофизических характеристик, состоящий в разогреве полубесконечного в тепловом отношении образца нагревателем с постоянной электрической мощностью и в измерении перепадов температур относительно начальной на нагревателе и на некотором расстоянии от него.

Недостаток этого способа — высокая погрешность измерения тепиофизических характеристик вследствие неучета совмест1718080

20

40

55 ного влияния теплоемкости нагревателя и теплового контактного сопротивления между нагревателем и образцом на ход температурно-временных зависимостей, Большая погрешность измерений обусловлена также невозможностью определения заранее максимально допустимого времени ведения теплового эксперимента, зависящего от условий теплообмена на свободных поверхностях образца.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является способ измерения теплофизических характеристик образца, включающий в себя разогрев образца постоянной электрической мощностью с помощьа. пласкбго йагревателя, измерение перепадов температур относительно начальной на нагревателе и на некотором расстоянии от.. него;:Устройство",реализующее данный способ; содержит измерительную ячейку c: нагревателем, дифференциально соединенные первую и вторую термопары, третью;термопару, коммутатор, аналогоцифровой преобразова гель; блок сопряжения, процессор;- два усилителя, блок индикации:, клавиатуру, оперативный запоминающий блок, постоянный запоминающий блок, таймер и регулируемый источник тока.

Недостатком данного способа и реализующего его устройства является большая погрешность измерений при исследовании образцов с теплопроводностью менее 0,05 вт/мК, что обусловлено наличием в измерительной ячейке эталонного материала, теплофиэические свойства которого известны с определенной погрешностью.

Целью изобретения является повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что перед измерением в ходе пробного эксперимента определяют перепад температуры между центром нагревателя и его тачкой; находящийся на расстоянии, равном полавине радиуса нагревателя. Устройство. для осуществления еп особа измерения теплофизических характеристик, содержащее измерительную ячейку с нагревателем и три термопары, два усилителя, .коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок сопряжения, процессор, оперативный и постоянный запоминающие блоки,. блок- индикации и клавиатуру, таймер и регулируемый источник тока нагревателя, дополнительно снабжено термопарой, включенной дифференциально с термопарой в центре нагревателя, третьим усилителем и цифроаналоговым преобразователем.

Сущность способа измерения теплофизических характеристик состоит в следующем.

Полубесконечный в тепловом отношении образец разогревается через прослойку толщиной д с постоянной теплопроводностью »Д, тепловой активностью Ьд и температуропроводностью ад, представляющей собой тепловое контактное сопротивление с нагревателем, к которому подводится постоянная удельная мощность ш, . Нагреватель имеет конечное значение поверхностей теплоемкости С»». В начальный момент временй температура нагревателя и образца -во всех точках одинакова, Теплопроводность »,, тепловая активность

Ь и температуропроводность а образца не зависят от температуры и координат. Реше- . ние уравнения теплопроводности для этого случая в облаСти изображений Ч(0, P) и

Ч(Х, P) по Лапласу имеет вид:

V(О. P) д-» а», Р

ДАХР + + P exp -» "(») . для образца на глубине ХI

{ey р7 +ив»»»hexp Ф АХ аЬ ч (х, е) - - р- р

+ + exp где V(O, Р), Ч(Х, Р) — избыточные температуры нагревателя и на некотором расстоянии

Х от нагревателя;

h - (b-Ьд )/(Ь+Ьд). р —. параметр преобразования Лапласа.

Восстановление оригинала изображе- . ний (1) и (2) проводилось с помощью алгоритма численного обращения.

На фиг.1 показаны зависимости Ч(0, t) и V(X, т ), построенные в координатах Ч, й, Зависимости а1 и аз соответствуют режиму, при котором отсутствуют влияние ,теплоемкости нагревателя.и теплового контактного сопротивления, зависимости, д1 и д2 — преобладающему влиянию. теплоемкости нагревателя, зависимости b> и bz. преобладающему влиянию теплового контактного сопротивления. Кривые Ч(0, r )

f(Б ) выходят на прямолинейный участок при выполнении условий адх/д 25; Ь |&С»» 8, где т — время ведения теплового эксперимента

Устройство для измерения теплофизических характеристик материалов содержит измерительную ячейку 1 с нагревателем 2, дифференциально включенные первую 3, вторую 4; треть»о 5. четвертую 6 и пятую 7 термопары. первый 8, второй 9 и третий 10

1718080 усилители, коммутатор 11, оперативный запоминающий блок (ОЗБ) 12, аналого-цифровой преобр".çîâàòåëü (АЦП) 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)

14, регулируемый источник 15 тока, постоянный запоминающий блок (ПЗБ) 16, блок

17сопряжения, процессор18, блок19 индикации, клавиатуру 20 и таймер 21.

Выход регулируемого источника 15 тока соединен с входом нагревателя 2 измерительной ячейки 1. Первые выводы первой 3 и второй 4 термопар соединены между собой, вторые выводы первой 3 и второй 4 термопар подключены соответственно к .первому и второму входам первого усилителя 8. Первый вывод третьей термопары 5 соединен с первым входом второго усилителя 9. Коммутатор 11 подсоединен первым и вторым входами соответственно к выходам первого 8 и второго 9 усилителей и выходом — к информационному входу АЦП 13, подключенного управляющим входом к выходу таймера 21 и выходом — к первому входу блока 17 сопряжения, подсоединенного первыми и вторыми двунаправленными шинами к процессору 18 и ОЗБ 12, вторыми и третьими входными шинами к ПЗБ 16 и клавиатуре 20, а первыми и вторыми выходными шинами — к входам соответственно таймера 21 и блока 19 индикации.

Четвертая термопара 6 первым выводом дифференциально соединена с вторым выводом первой термопары 3, а вторым выводом соединена с вторым входом третьего усилителя 10. Первый вывод пятой термопары 7 дифференциально соединен с вторым выводом третьей термопары 5, а второй вывод пятой термопары 7 — с вторым входом второго усилителя 9. Первый вход третьего усилителя 10соединен с первыми выводами первой 3 и второй 4 термопар, выход третьего усилителя 10 — с третьим входом коммутатора 1-1, а ЦАП 14 подключен входом к третьей выходной шине блока 17 сопряжения и выходом — к управляющему входу регулируемого источника 15 тока..

Управляющий вход коммутатора 11 соединен с четвертым выходом блока 17 сопряжения.

Устройство для измерения теплофизических характеристик материалов работает следующим образом.

Образец устанавливается в измерительную ячейку 1. Оператор вводит с помощью клавиатуры 20 в ОЗБ 12 исходные данные (площадь нагревателя, его сопро- . тивление, величину размера Х). Затем устройство переводится в автоматический режим, т.е. процессор 18 переходит от программы обслуживания клавиатуры 20 и блока l9 индикации к программе, обеспечивающей проведение эксперимента. Выполняя эту программу, процессор 18 периодически опрашивает АЦП 13 при выключенном на5 гревателе 2, чтобы установить по показаниям термопар 3, 4 и 5, 7 выравнивание температур в образце. Если показания термопар изменяются со скоростью менее 0,05

К/мин, то процессор 18 выполняет пробный

10 эксперимент. При этом на источник 15 регулируемого тока через блок 17 сопряжения и

ЦАП 14 выдается напряжение, обеспечивающее удельную мощность нагревателя 1

Вт/м . Одновременно выключается тай2

15 мер21, Точки экспериментальных кривых снимаются через одну с в течение 30 с. Данные экспериментальной зависимости V(0, х ) =

=f(Чх ) обрабатываются методом наимень20 ших квадратов под прямую. Если тангенс угла наклона указанной прямой менее 0,04, то удельная мощность нагревателя увеличивается в пять раз, снова запускается таймер

21 и вновь в течение 30 с производится

25 снятие точек температурных кривых. Если тангенс угла наклона зависимости V(0, х ) =

-f(/х ) больше либо равен 0,04, то точки снимаются до тех пор, пока перепад температуры, измеряемой по радиусу нагревате30 ля термопарами 3 и 5, не превысит 0,1 К либо до полного заполнения памяти устройства, отведенной под данные температурных измерений и соответствующего 600 с ведения теплового эксперимента.

35 При пробном эксперименте допустимый перегрев нагревателя 2 относительно его начальной температуры составляет порядка 1 К. Для достаточно точного измерения радиального перепада температуры на

40 фоне случайной погрешности измерения необходимо, чтобы его величина была не менее 0,05-0,1 К. составляла 5-10 от величины перегрева нагревателя 2. Влияние теплообмена на боковой поверхности об45 разца на температуру центра нагревателя 2 начинает заметно сказываться при à r R =

=0,2, где R — радиус образца. При этом перепад температуры между центром нагревателя 2 и его точкой, находящейся на

50 расстоянии, равном половине его радиуса, составляет необходимые 5 — 107ь от перегрева нагревателя 2. Момент времени, соответствующий появлению указанного радиального перепада температуры, соот55 ветствует допустимому времени ведения теплового эксперимента хи . Затем процессор 18 включает нагреватель 2, но продолжает периодически опрашивать АЦП 13, чтобы установить по показаниям термопар

1718080

3, 4 и 5, 7 окончательное выравнивание температуры образца. После того, как скорость изменения температуры станет менее или равной 0,01 К/мин, считается, что выравнивание достигнуто, Затем процессор 18 переходит к программе обработки методом наименьших квадратов пробного воздействия. Обработке подвергается зависимость V(0, t) = f(vr } под прямую линию, грубо оценивается величина тепловой активности образца и по ее значению и допустимому времени ведения эксперимента рассчитывается удельная мощность аЪ, необходимая для создания к концу эксперимента на нагревателе 2 температурного перепада относительно его начальнойй температуры

7bVE

Процессор 18 через блок 17 сопряжения.и ЦАП 14 устанавливает необходимый ток и включает нагреватель 2. Одновременно с включением нагревателя запускается таймер 21. Таймер 21 периодически через одну запускает АЦП 13, а процессор 18 анализирует наличие от АЦП 13 сигнала "Конец преобразования" и заносит полученныеточки экспериментальных кривых в ОЗБ 12.

После достижения допустимой величины времени ведения эксперимента процессор

18 блокирует работу таймера 21, прекращает опрос АЦП 13, выключает нагреватель 2. и переходит к расчету тепло- и температуропроводности. После окончания необходимых расчетов процессором 18 производится вывод на блок 19 индикации полученных теплофизических характеристик, и устройство переводится в режим обслуживания клавиатуры 20.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерений за счет формирования оптимальной мо цности нагревателя и определения до начала измерения допустимого времени измерения.

Формула изобретения

1. Способ измерения теплофизических характеристик образца, включающий в себя разогрев образца постоянной электрической мощностью с помощью плоского нагревателя. ° измерение перепадов температур относительно начальной на нагревателе и на некотором расстоянии от него,.отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в ходе пробного эксперимента перед основным измерением определяют перепад температур между центром нагревателя и его точкой на расстоянии, равном половине радиуса нагревателя, 2. Устройство для измерения теплофизических характеристик материалов, содер5 жащее измерительную ячейку с нагревателем, дифференциально соединенные первую и вторую термопары, третью термопару, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок сопряжения, про10 цессор, два усилителя, блок индикации, кла. виатуру, оперативный запоминающий блок, постоянный запоминающий блок, таймер и регулируемый источник тока, выход которого соединен с входом нагревателя измери15 тельной ячейки, первые выводы первой и второй термопар соединены между собой, вторые выводы первой и второй термопар подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя, один

20 вывод третьей-термопары соединен с первым входом второго усилителя, коммутатор подсоединен первым и вторым входами соответственно к выходам первого и второго усилителей и выходом к информационному

25 входу аналого-цифрового преобразователя, подключенного управляющим входом к выходу таймера и выходом к первому входу блока сопряжения, подсоединенного первой и второй двунаправленными шинами к

30 процессору и оперативному запоминающему блоку, второй и третьей входными шинами к постоянному запоминающему блоку и клавиатуре, а первой и второй выходными шинами — к входам соответственно таймера

35 иблокаиндикации,отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет формирования оптимальной мощности нагревателя, в него введены третий усилитель, цифроаналоговый преобразователь, четвер40 тая и пятая термопары, четвертая термопара первым выводом дифференциально соединена с вторым выводом первой термопары. а вторым выводом соединена с вторым входом третьего усилителя, первый

45 вывод пятой термопары дифференциально соединен с вторым выводом третьей термопары, а второй вывод пятой термопары соединен с вторым входом второго усилителя,,первый вход третьего усилителя соединен с.

50 первыми выводами первой и второй термопар, выход третьего усилителя соединен с третьим входом коммутатора, цифроаналоговый преобразователь подключен входом к третьей выходной шине блока сопряжения

55 и выходом к управляющему входу регулируемого источника тока, а управляющий вход коммутатора соединен с четвертым выходом блока сопряжения.

Составитель В. Костюхин

Редактор О. Хрипта Техред М.Моргентал Корректор Э. Лончакова

Заказ 8Т5 Тираж Подписное

ВНИИЛИ Государотвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101