Устройство для определения теплопроводности материалов

 

Изобретение относится к технике теплофизических измерений и может быть использовано при исследовании фазовых переходов и других тепловых процессов. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет увеличения точности задания температурного режима. В устройстве использован метод стационарного теплового потока для измерения теплопроводности и обеспечивается поддержание заданного, достаточно малого, градиента температур на торцах исследуемого образца . При этом теплопроводность оказывается пропорциональной мощности выделяемой в нагревателе, которая определяется при помощи функционального преобразователя и регистрируется в цифровом виде. 1 ил. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4790031/25 (22) 12.02.90 (46) 15.06.92. Бюл. М 22 (71) Ярославский государственный университет (72) С. Е. Биркган, А. Б. Волков и М, Н, Преображенский (53) 536.02.(088.8) (56) берман Р. Теплопроводность твердых тел, M.: Мир, 1978, с. 14.

Бурцев Ю, Н. и др. Прибор для измерения коэффициента теплопроводности полимеров в интервале от -40 С до +250 С.—

Заводская лаборатория. 1972, М 8, с 1014.

Авторское свидетельство СССР

N. 1518750, кл, G 01 N 25/18, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к технике теплофизических измерений, а именчо к устройст. вам для определения теплопроводности материалов, и может быть использовано при исследовании фазных переходов и других процессов, происходящих. и узких температурных интервалах, Известно устройство для определения теплопроводности материалов, работающее в режиме стационарного теплового потока. Постоянный тепловой поток P пропускается через однородный образец с известной площадью поперечного сечения

S, Термопары закреплены в двух местах вдоль образца на расстоянии d друг от друга. Коэффициент теплоп роводности определяют из соотношения

SSsT ,, SUÄÄ 1741036 А1 (57) Изобретение относится к технике теплофизических измерений и может быть использовано при исследовании фазовых переходов и других тепловых процессов.

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет увеличения точности задания температурного режима. B устройстве использован метод стационарного теплового потока для измерения теплопроводности и обеспечивается поддержание заданного, достаточно малого, градиента температур на торцах исследуемого образца. При этом теплопроводность оказывается пропорциональной мощности. выделяемой в нагревателе, которая определяется при помощи функционального преобразователя и регистрируется в цифровом виде. 1 ил.

При этом коэффициент теплопроводности приписывается среднему значению температуры между термопарами.

Недостатком данного устройства является сложность создания одновременного теплового потока тепла, а также неопределенность температуры, к которой относится измерение.

Известно также устройство для определения теплопроводности в широком диапазоне температур, состоящее из двух термостатируемых блоков, между которыми размещаются два исследуемых образца, разделенные плоским центральным нагревателем, в центре которого расположен горячий спай дифференциальной термопары.

Холодный спай термопары находится в термостате. Для получения значения коэффициент теплопроводности в образце

1741036 создается перепад температур 1,5-2,5 С путем подачи некоторой заданной мощности Q в центральный нагреватель. Коэффициент теплоп роводности рассчитывается по формуле

Q Qh

S Sq 2ЯХТ

h1 h2 где 0 — мощность, выделяемая в нагревателе;

$ и Sz — сечения исследуемых образцов;

М и hz — толщины исследуемых образцов;

АТ> и АТ вЂ” перепад температуры на образцах.

B случае одинаковых образцов 31 =Яг=Я, h1=hz=h, АТ 1 = AT 2 = АТ и одинаковый тепловой поток распространяется через каждый исследуемый образец.

Недостатком данного устройства является неопределенность температуры, которой соответствует измеренный коэффициент теплопроводности, возникающая вследствие того, что при подводе одной и той же мощности к нагревателю при изменении на образцах со значительно отличающейся теплопроводностью получают во столько же раз отличающийся градиент температуры АТ на исследуемом образце. Особенно недопустимо это при изучении фазовых переходов, происходящих в очень узких температурных интервалах, когда наблюдается резкая зависимость теплофизических свойств от температуры.

Кроме того, необходимо каждый раэ производит расчет теплопроводности по формуле, что требует дополнительного времени.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство для измерения теплопроводности материалов, содержащее термастат с находящимися внутри него измеряемыми образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель, размещенный между образцами, дифференциально включенную термопару, диод, дифференциальный усилитель, регистратор, усилитель, источник опорного напряжения, усилитель с цифровой установкой коэффициента усиления, цифровой блок установки и общую шину.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет увеличения точности задания температуры, Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее термостат с нахо5

55 дящимися внутри него измерительными образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель размещенный между образцами, дифференциально включенную термопару, диод, дифференциальный усилитель, регистратор, усилитель, общую шину и источник опорного напряжения, подключенный выходом к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с одним выводом дифференциально включенной термопары, подсоединенной другим выводом к общей шине, усилитель подключен выходом к аноду диода, катод которого соединен с одним выводом плоского центрального нагревателя, другой вывод которого подключен к общей шине, введены интегратор и функциональный преобразователь, подключенный первым входом к выходу источника опорного напряжения, вторым входом — к катоду диода и выходом — к входу регистратора, а интегратор подсоединен входом к выходу дифференциального усилителя и выходом к входу усилителя.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для определения теплопроводности материалов.

Устройство содержит термостат, состоящий из двух идентичных блоков 1 и 2, внутри которого размещены два измеряемых образца 3 и 4 цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель 5, дифференциально включенную термопару 6, дифференциальный усилитель 7, источник 8 опорного напряжения, интегратор 9, усилитель 10, диод 11, функциональный преобразователь 12, регистратор 13 и общую шину

14.

Измеряемые образцы 3 и 4 размещены соосно, их наружные торцы приведены в тепловой контакт с термостатом, а боковые их поверхности теплоизолированы.

Источник 8 подключен выходом к первым входам функционального преобразователя 12 и дифференциального усилителя 7, подсоединенного вторым входом к одному выводу дифференциально включенной термопары 6, другой вывод которой соединен с общей шиной 14. В ы ход дифферен циал ьного усилителя 7 подсоединен через последовательно соединенные интегратор 9 и усилитель 10 к аноду диода 11, катод которого соединен с одним выводом плоского центрального нагревателя 5, подключенного другим выводом к общей шине 14. Катод диода 11 соединен с вторым входом функционального преобразователя 12, выход которого подключен к входу регистратора 13.

1741036

10

20

35

50

Устройство для определения теплопроводности материалов работает следующим образом, В начальный момент времени темпера-. тура измеряемых образцов 3 и 4 и термостата одинакова во всех точках, поэтому после включения питания сигнал, поступающий с дифференциальной термопары 6 на второй (инвертирующий) вход дифференциального усилителя 7, равен нулю, На первый (неинверти рую щий) вход дифферен циал ь ного усилителя 7 поступает напряжение с выхода источника 8 опорного напряжения, выбираемое равным тому напряжению дифференциальной термопары 6, которое соответствует нужному градиенту температуры на образцах 3 и 4. Напряжение с выхода дифференциального усилителя 7 через интегратор 9, усилитель 10 и диод 11 поступает на плоский центральный нагреватель

5. В результате выделения тепловой мощности нагревателем 5 температура в измеряемых образцах 3 и 4 начинает увеличиваться.

Это приводит к увеличению сигнала, поступающего с дифференциальной термопары 6 на первый (неинвертирующий) вход дифференциального усилителя 7, что, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения на выходе дифференциального усилителя 7, интегратора 9, усилителя 10 мощности и в конечном итоге приводит к уменьшению напряжения, поступающего на плоский центральный нагреватель 5.

Таким образом. устройство работает как стабилизатор температуры в месте расположения горячего слоя дифференциально включенной термопары 6 (т.е, между измеряемыми образцами 3 и 4). При этом разница между напряжениями на выходах дифференциально включенной термопары

6 и источника 8 опорного напряжения будет тем меньше, чем больше суммарный коэффициент усиления дифференциального усилителя 7, интегратора 9 и усилителя 10.

Интегратор 9 используется с целью предотвращения автоколебаний, а диод 11 исключает саморазогрев устройства отрицательным напряжением на выходе усилителя 10 при появлении на выходе дифференциально включенной термопары 6 напряжения большего, чем выходной сигнал источника 8 опорного напряжения. При установлении стационарного режима на второй вход функционального преобразователя 12 поступает напряжение U1, квадрат которого пропорционален мощности Q, выделяемой плоским

Uf центральным нагревателем 5;т.е. Q = где R — сопротивление плоского центрального нагревателя 5. На первый вход Y функционального преобразователя 12 поступает напряжение 0О, которое связано с градиентом температуры ЛТ, измеряемым дифференциально включенной термопарой

6, формулой Uo = аЛТ, где а — коэффициент термоЭДС термопары 6, на выходе Z функционального преобразователя 12 напряжение U2 равно КО 1/Uo, где k — регулиг руемый коэффициент, определяемый параметрами функционального преобразователя 12. Если коэффициент k установить равным d a /SR, где d — толщина цилиндрического образца 3, а S — площадь основания, то напряжение на выходе Z функционально- го преобразователя 12 будет равно ц da aver — Qd

0-SR U. $ХТ Л где А — коэффициент теплопроводности образца.

Таким образом, регистратор (цифровой вол ьтметр), подкл ючен н ый к выходу фун кционального преобразователя 12 будет из- мерять непосредственно коэффициент теплопроводности исследуемых образцов 3 и 4. При этом градиент температур ЛТ будет поддерживаться одинаковым для всех образцов независимо от их коэффициента теплопроводности.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерений теплопроводности матери алов и и редставлять резул ьтат измерений в цифровом виде непосредственно на регистраторе (цифровом вольтметре) без дополнительных вычислений.

Формула изобретения

Устройство для определения теплопроводности материалов, содержащее термостат с находящимися внутри него измеряемыми образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель, размещенный между образцами, дифференциально включенную термопару, диод дифференциальный усилитель, усилитель, регистратор, общую шину и источник опорного напряжения, подключенный выходом к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с одним выводом дифференциально включенной термопары, подсоединенной другим выводом к общей шине, усилитель подключен выходом к аноду диода, катод которого соединен с одним выводом. плоского центрального нагревателя, другой вывод которого подключен к общей шине, о тл ичающееся тем, что,с целью повышения точности измерений за счет увеличения точности задания температуры, в него введены интегратор и функциональный преоб1741036

45

Составитель В.Костюхин

Редактор Л.Веселовская Техред M.Моргентал Корректор О.Кравцова

Заказ 2081 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного 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 разователь, подключенный первым входом к выходу источника опорного напряжения, вторым входом — к катоду диода и выходом — к входу регистратора, а интегратор подсо единен входом к выходу дифференциального усилителя и выходом — к входу усилителя.