Устройство для определения теплофизических характеристик материалов

 

Назначение: изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к определению теплофмзичесшх характеристик различных изделий и конструкций в процессе их изготовления и эксплуатации. Сущность изобретения заключается в том, что датчик, выполненный в виде термопары с двумя дополнительными термоэлектродами, установлен в эталоне. Горячий спай термопары и дополнительные термозлектроды расположены в центре рабочего торца эталона, в холодный слай - в эталоне на его оси на расстоянии от горячего спая, равном десяти диаметрам шарика рабочего спая. Минимальный линейный размер эталон превышает диаметр шарика спая на эту же величину. Рабочий торец эталона выполнен плоским в случае исследования плоских поверхностей , а в случае образцов сложной формы рабочий торец эталона - в виде тупого конуса. 3 з.п.ф-лы, 3 ил. 1Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 25 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,4

C) ОО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4851534/25 (22) 17.07.90 (46) 23,10.92. Бюл. М 39 (71) Краснодарский политехнический институт (72) SЯ, Колесников (56) Авторское свидетельство СССР

tk 1857830, кл. 6 01 N 25/18, 1982.

Авторское свидетельство СССР

th 873085, кл. G 01 N 25/18, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

МАТЕРИАЛОВ (57) Назначение: изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к определению теплофизических характеристик различных изделий и конструкций в процессе

Изобретение относится к области тепловых испытаний, а именно к области определения теплофизических характеристики (ТФХ) материалов.

Известно устройство для определения теплопроводности материалов, содержащее два выносных стержнеобразных зонда. у которых одни концы контактируют с поверхностью образца, а другие — с термоэлектрической батареей, автоматический регулятор разности температур зондов, на вход которого через задатчик постоянного комплексирующего напряжения подключена дифференциальная термопара, а в цепь его нагрузки включена термоэлектрическая батарея, и схему измерения разности температур зондов, состоящую иэ второй дифференциальной термопары, подключенной к измерителсо термо-ЭДС. причем на вход автоматического регулятора разности тем. Ж 1770871 Al их изготовления и эксплуатации. Сущность изобретения заключается в том, что датчик, выполненный в виде термопары с двумя дополнительными термоэлектродами, установлен в эталоне, Горячий спай термопары и дополнительные термоэлектроды расположены в центре рабочего торца эталона, в холодный спай - в эталоне на его оси на расстоянииот горячего спая, равном десяти диаметрам шарика рабочего спая. Минимальный линейный размер эталон: превышает диаметр шарика спая на эту же величину. Рабочий торец эталона выполнен плоским в случае исследования плоских поверхностей, а в случае образцов сложной формы рабочий торец эталона — в виде тупоm конуса. 3 з.п.ф-лы, 3 ил. ператур подключена дифференциальная термопара с рабочими спаями, расположенными на концах зондов, контактирующих с образцом, а к измерителю термо-ЗДС подключена дифференциальная терм опара с рабочими спаями, расположенными на концах зондов, установленных на термоэлектрической батарее.

Недостатком известного устроиства является его сложность и ограниченность, связанная с определением толькс одной

ТФХ-теплопроводности, Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения ТФХ материалов, состоящее из датчика, выполненного в виде термопары, имею ц и два дополнительных разноименных тес моэлектрода, подключенных к источнику постоянного тока, и служащей одновременно

1770871

45 (2) нагревателем, холодильником и датчиком термопары.

Недостатками известного устройства является невысокая точность измерений, связанная с неадекватностью идеальной модели способа и реальной системы, возникающей из-эа массивности зонда, а также необходимость внедрения устройства в ! исследуемый материал, что ограничивает его -n pимeнeниe.

Цель изобретения — повышение точности и, расширение диапазона применения за счет обеспечения воэможности неразрушающего определения йскомых величин.

Поставленная цель достигается тем, что термопара с дополнительными разноименными термоэлектродами установлена в эталоне, причем горячий (рабочий) спай термопары и дополнительных термоэлектродов расположен в центре рабочего торца эталона, а другой спай (хоподный) термопары расположен в эталоне на его оси на расстоянии от горячего (рабочего) спая не менее чем в 10 раз превышающем диаметр шарика рабочего спая, при этом минимальный размер эталона превышает диаметр шарика спая на эту же величину.

На фиг.1 показана схема устройства при исследовании плоских поверхностей; на фиг.2 — пояснение к обработке экспериментальных данных. полученных при использовании предлагаемого устройства; на фиг.3 — схема устройства, позволяющего определять ТФХ изделий с криволинейной поверхностью.

Устройство состоит из эталона 1, выполненного в виде ограниченного цилиндра, на торце которого s центре размещен горячий (рабочий) спай 2 термопары 3 с дополнительными разноименными электродами 4 и

5, Эти дополнительные электроды соединены с источником 6 постоянного тока. На оси эталона 1 на расстоянии Н от горячего (рабочего) спая 2, равном 10 диаметрам шарика спая 2, расположен пассивный термостат

7, в котором размещены холодные концы термопары 3. Термопара 3 подключена к регистратору термо-ЭДС (измерительный прибор 8),который через согласующий блок

9 соединен с генератором временных импульсов 10 и микро-3ВМ 11. Радиус R3 эталона удовлетворяет условию R> Н.

Устройство работает следующим образом.

При подготовке к измерениям создают хороший контакт устройства (рабочего торца эталона) с поверхностью исследуемого образца или изделия 12 и в течение некоторого времени систему термостатируют. КонTpollb зэ процессом термостэтирования

40 производят по показаниям измерительного прибора 8. После термостатирования на дополнительные электроды 4,5 подают стабилизированныйй постоянный электрический ток, При пропускании постоянного электрического тока через спай 2 термопары он нагревается или охлаждается, е зависимости от направления тока. Одновременно с подачей тока на дополнительные электроды

4 и 5 включают генератор временных импульсов 10, который через согласующий блок задает интервал регистрации термоЭДС измерительному прибору 8. Полученная с помощью измерительного прибора 8 информация накапливается s памяти микро-ЭВМ 11 и по окончании эксперимента обрабатывается согласно программе, реализующей алгоритм способа определения

ТФХ, заложенного в основу работы настоящего устройства.

Теоретические основы метода, реализуемого предлагаемым устройством, заключаются е использовании закономерности температурного поля системы эталон — исследуемый материал, е плоскости которых действует локальный (в виде круга радиусом

R) источник постоянной мощности qo, Так при значениях числа Фурье F< > 1,5 характер изменения избыточной температуры Л Т в месте спая 2 термопары 3 е координатах

ЬТ- --,г- (где t- время) имеет линейный вид

Ж (фиг.2).

Строя график зависимости Л 1 = f(-)

1/) по экспериментальным данным в указанном временном диапазоне, можно получить прямую, продолжение которой до пересечения с координатными осями дает значения

ATcr = Л Т и (значение соот1 1 ,ечзо / / ф ветствует Л Т =- О). Расчет ТФХ производят по формулам

-4я (1)

3лЛТ„ 2 2 а = I(+ b,), где a* =(R /4 т)(1/Уг ):

Ьэ = i4/ àý .

il И Аз — коэффициенты теплоп„оводнс, сти исследуемого и эталонного материалов; а и а — коэффициенты темперэ|уропроводности исследуемого и эталонного материала.

Значение плотности теплового потока

qp определяется в калибровочных опытах на образцах с известными ТФХ

1770871

20

35

gQ (Ë + Ë

Работоспособность предлагаемого устройства проверяли на его макетном варианте со следующими параметрами: эталон— полиметилметакрилат, материал термопары и дополнительных электродов — хромель-капель, размеры эталона — Rs = Н - 10 мм, измерительный прибор — вольтметр универсальный — ЩЗ1,используемая 3BM—

Роботрон-1715, Время проведения эксперимента — 20 с. Максимальный разогрев—

15 К. Полученные результаты обработки данных показали, что устройство может быть использовано для определения ТФХ твердых, сыпучих и вязких материалов.

При использовании данного устройства для исследования твердых образцов с плоской поверхностью можно рекомендовать применение смазок, снижающих контактные термические сопротивления.

С целью расширения диапазона применения предлагаемого устройства за счет возможности исследования твердых образцов (изделий) с криволинейной поверхностью, рабочий торец эталона может быть выполнен в виде тупого конуса, на острие которого размещен рабочий слой термопары с дополнительными термоэлектродами (фиг.3), При применении такого устройства создают только контакт рабочего спая с поверхностью исследуемого объекта, а в остальной области между эталоном и исследуемым материалом практически реализуются адиабатные условия.

Опыт и обработку данных производят аналогично, как и при использовании устройства с плоским рабочим торцом эталона, за исключением формулы (2), которая заменяется в этом случае на выражение

С целью повышения точности измерений путем исключения влияния имеющихся градиентов температур и источников тепла в исследуемом материале также можно рекомендовать проводить измерения температуры в зоне нагрева относительно такого же дополнительного эталона, который устанавливают на поверхность исследуемого материала вне зоны теплового влияния и у которого отсутствуют дополнительные термоэлектроды.

Формула изобретения

1.Устройство для определения теплофизических характеристик материалов, состоящее иэ датчика, выполненного в виде термопары, имеющей два дополнительных разнойменных термозлектрода, подключенных к источнику постоянного тока и регистратору термо-ЭДС, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и рэсширения диапазона применения за счет обеспечения возможности неразрушающего определения искомых величин, термопарэ с дополнительными термоэлектродами установлена в эталоне, причем горячий рабочий спай термопары и дополнительные термоэлектроды расположены в центре рабочего торца эталона, э холодный спай термопары расположен в эталоне на его оси на расстоянии от горячего спая, которое выбрано из условия полуограниченности эталона в диапазоне измерения параметров и отсутствия теплового пробоя на холодном спае, при этом минимальный линейный размер эталона превышает диаметр шарика горячего спая на величину этого расстояния.

2.Устройство поп,1, отл ич а ю щеес я тем, что расстояние между горячим и холодным спаями выбрано равным 10 диаметрам шарика горячего спая.

3.Устройство по п.1, о т л и ч а ю .ц е ес я тем, что в случае исследования плоских поверхностей рабочий торец эталона выполнен плоским, 4.Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что в случае исследования поверхностей сложной формы рабочий торец эталона выполнен в виде тупого конуса.

4oE Z

Составитель H.Ãðèùeíêî

Техред M.Моргентал Корректор И.Шмакова

Редактор Т.Иванова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 131

Заказ 3738 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскав наб., 4/5