Устройство для измерения теплопроводности и температуропроводности материалов
Изобретение относится к теплофизическим измерениям. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемый и эталонный образцы находятся в тепловом контакте через расположенный между ними нагреватель. Свободная поверхность эталона термостатирована, а свободная поверхность образца теплоизолирована и находится в контакте с горячим спаем дифференциальной термопары. Холодный спай термопары находится на поверхности термостата . Положительный электрод термопары подключен к инвертирующему входу регулятора, неинвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения , а выход - с нагревателем. Элементы устройства, соединенные в такой последовательности , позволяют осуществить обратную связь в режиме автоколебаний только температурной волной, распространяющейся в исследуемом образце. 1 п.ф 1 мл. to
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (st)s G 01 N 25/18
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
J 4
С)
К) (21) 4893843/25 (22) 25. 12,90 (4б) 23.10.92. Бюл. М 39 (71) Ярославский государственный университет (72) A.Ñ. Рудый и Н.А. Рудь (56) Sawldes N., Murray ЧЧ, Apparatus for the
measurement of thermal dlffurslvity feature a
low frequency sine-wave generator and a
digital phase meter//1, Phys. Е. — 1978 — М 9 — р,941 — 947.
Алексеев В,П, и др. Определение теплофиэических характеристик методом автоколебаний. Инженерно-физический журнал, 1987, f4 52, с.255-2б0. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕ РИАЛОВ (57) Изобретение относится к теплофизическим измерениям. Сущность изобретения
Изобретен.;е относится к области теплофиэических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности и температуропроводности материалов в широком интервале температур.
Известно устройство для измерения теплопроводности и тем пературопроводности твердых тел, содержащее исследуемый образец с введенными в него термопарами, генератор периодического теплового потока, измеритель разности фаэ и вольтметр, 8 результате периодического теплового воздействия генератора на одну из поверхностей образца в нем распространяется темп аратурна я вол на. Измеряя отношение амплитуд либо разность фаэ колебаний тем„„QJ „» 1770872 А1 заключается в том, что исследуемый и эталонный образцы находятся в тепловом контакте через расположенный между ними нагреватель. Свободная поверхность эталона термостатирована, а свободнаг- поверхность образца теплоизолирована и находится в контакте с горячим спаем дифференциальной термопары. Холодный спай термопары находится на поверхности термостата. Положительный электрод е рмопары подключен к инвертирующему входу регулятора, неинвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход — с нагревателем. Элементы устройства, соединенные в такой последовательности, позволяют осуществить обратную связь в режиме автоколебаний только температурной волной, распрос;раняющейся в исследуемом образце. 1 п.ф. 1 ил. пературы в двух точках образца. определяют его температуропроводность, а по величине теплового потока и градиента температуры — теплопроводность образца.
Недостаток устройства состоит в том, что измерение амплитудных значений слабых периодических сигналов, а тем более разности их фаз приводит к потере точно<.ти. Кроме того, на погрешность измерений оказывает влияние неидентичност.. термопар, погрешность термостатирования холодных спаев, нелинейность генератора теплового потока и т.д.
Наиболее близким по своей су»,ности к заявленному техническому решению является выбранное в качестве прототипа устройство, состоящее иэ двух образцов, 1770372 термостатов, дифференциальной термопары, источника опорного напряжения, регулятора и нагревателя. Нагреватель располагается между двумя идентичными образцами, находящимися в тепловом контакте с термостатами. "Горячий" спей термопарь1 введен в один из образцов, а
"холодный" расположен на термостатируемой: поверхности образЦа". Положительный электрод термопары подключен к инвертирующему входу регуляюра, неинвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход — с нагревателем. Элементы устройства, соединенные в указанной последовательности, образуют замкнутую систему автоматического регулирования САР с тепловой обратной связью через исследуемый образец. При критическом значении коэффициента усиления регулятора в CAP возникают автоколебания, по частоте которых находят температуропроводность, а по критическому значению коэффициента усиления — теплопроводность образца, Данное устройство обладает невысокой разрешающей способностью и сравнительно большой случайной погрешностью. Тепловая обратная связь в устройстве, осуществляемая тепловым потоком, воэ. можна лишь при наличии в образце гради.ента температуры ЛТ/д, где д — толщина образца. Измеряемые теплофизические характеристики ТФХ являются средними для интервала температуры ЛТ . Это не позволяет разрешить тонкую структуру температурных зависимостей ТФХ, например, фазовые переходы второго рода. Вторым недостатком устройства является высокое критическое значение коэффициента усиления регулятора. Его величина в полной петле обратной связи имеет порядок 106, что обусловливает высокий уровень низкочастотного шума и флуктуаций, Это приводит к неустойчивости автоколебаний и увеличению случайной погрешности измерений, Цель изобретения — повышение точности измерений и разрешающей способности устройства за счет устранения температурного градиента в образце и снижения критического значения коэффициента усиления.
Укаэанная цель достигается тем, что в устройство для измерения теплопроводности и температуропроводности материалов. содержащее исследуемый образец, термостат, дифференциальную термопару, источник опорного напряжения, регулятор и нагреватель, соединенные в замкнутую систему автоматического регулирования с
15 тепловой обратной связью через образец, дополнительно введен эталонный образец, который расположен между термостатом и нагревателем, причем одна иэ поверхностей исследуемого образца находится в тепловом контакте с нагревателем, а вторая теплоизолирована и находится в контакте с
"горячим" спаем дифференциальной термопары, При работе CAP в стационарном режиме выделяемая в нагревателе мощность через эталонный образец поступает в термостат и в исследуемом образце градиента температуры не возникает. При работе CAP в режиме автоколебаний обратная связь осуществляется только температурной волной, распространяющейся в исследуемом образце. Амплитуда колебаний температуры ведет себя как Здесь А — бифуркационный параметр. свя2О занный с коэффициентом усиления К соотношением К = СА(А-2), а А и К критические значения А и К, С вЂ” приборная константа, При К - К A — А, а амплитуда колебаний температуры То (г, х) стремится к нулю как б . Следовательно, с помощье коэффициента усиления регулятора амплитуда колебаний температуры может быть сделана сколь угодно малой и тем самым повышена 3О разрешающая с особность устройства. Повышение точности измерений достигается эа счет снижения критического значения бифуркационного параметра А . Если в прототипе Ac = — 34,6415, то в заявляемом 35 д, устройстве Ac = — 248596 - (1 + Д/фо), где о д — толщина, а P — тепловая активность. За счет изменения толщины эталона либо образца можно изменять критическое значе4О ние бифуркационного параметра, следовательно, и коэффициента усиления. На чертеже приведен пример конкретного выполнения устройства. Устройство для измерения теплопро45 водности и температуропроводности материалов состоит иа исследуемого образца 1. нагревателя 2, эталонного образца 3, термостата 4, дифференциальной термопары 5, предусилителя б, источника 7 опорного напряжения, регулятора 8 и измерителя 9 час.тоты. Образец из полиметилметакрилата (ПММА) имеет форму параллелепипеда размерами 12 х 6 х 4 мм. Одна из поверхностей образца находится в тепловом контакте с эталоном, а к свободной поверхности приклеены восемь спаев многозаходной МКтермопары, "Холодные" спаи термопары смонтированы на термостате. Эталоном 3 1770872 служит параллелепипед из ситалла 13 х 6 х 0,3 мм, на одну из поверхностей которого напылен резистивный слой Со-9-В с подслоем V-А!. Резистивный слой расположен .между образцом и эталоном и выполняет роль нагревателя 2. Тепловой контакт между образцом 1, эталоном 3 и термостатом 4 обеспечивается теплопроводящей смазкой. Для созданий адиабатических условий на свободных поверхностях образца и эталона весь измерительный узел помещен в вакуум. Предусилитель 6 выполнен на микросхеме К140УД13 и имеет коэффициент усиления 40. Постоянная времени 7интегратора на выходе предусилителя удовлетворяет условию т «П, где Г! — период автоколебаний системы. Регулятор 8 представляет собой инструментальный усилитель, собранный на трех микросхемах К153УД5А, Б по. известной семирезистор ной схеме. Коэффициент усиления регулятора может изменя гься в пределах 100-5 10з. Для усиления мощности выходного сигнала служит эмиттерный повторитель (КТ972). Выводы восьмизаходной МК-термопары 5 подключены к предусилителю 6, выход которого соединен с инвертирующим входом регулятора 8. К его неинвертирующему входу подключен источник опорного напряжения 7. Выход регулятора соединен с нагревателем 2 и измерителем частоты 9. Соединенные в данной последовательности элементы устройства образуют замкнутую САР. Ее работа описывается уравнением САР Гэ(Х, t) = аэТэ (х, t); То(х, t(= аоТо (х, t); Тэ(0, t)-0; Т (д ) =Т (д ): То(x, t)t><-g8 =0! (1) (ЛэТэ — ЛТэ ) J g = х х (U< и Т, (д, + до,t)j х(т (О,— C о (he + Оо,t)j ° где Тэ(х. t) — температура эталона; То(х, t) — температура образца; а — коэффициент температуропроводности: А — коэффициент теплопроводности; д — толщина; а — коэффициент термо-ЭДС термопары; S — площадь нагревателя; R — его сопротивление; К вЂ” коэффициент усиления регулятора; Оо — опорное напряжение: 0 - функция Хевисайда. Уравнение (1) имеет стационарные решения Т(х)- (0- 0 -1) Х )-) о 2 QОэ хТ,- (D- 0 — 1), 0о 2 и (2) 5 где 0 = 1+) 3 Rg U, ад, Кг, Г1ри возбуждении автоколебаний у задачи (1).появляется периодическое решение Т(х, t) = Ч(х)ехр(! а t), пространственная часть которого Н(х) определяется при решении за10 дачи Штурма-Лиувилля, где о) — частота колебаний Vs !(x) - — V (x); V. (х) - — V.(x); ! Ш 1! !И аэ ао Чэ(О)-О Чэ(дэ)=Vo(дэ) Vo (эд =О, (3) (Vo Vo ) „эд = Vo (4 +6o), лэ ) ) «А 20 где А = 1 — (0+ 1)/(0 — 1), Удовлетворяя последнему граничному условия задачи (3), можно получить условие для волновых чисел ! ц !со до - - 1 (4) и два условия для критического значения бифуркациои ного параметра ! со до (1 + j4/Д) = А е " сов k ä., (5) ! со до (1 +Д/Д) =-Ае "оч sir) !(. д.. Условие {4) совместно с законом дисперсии плоских температурных волн о) =- k 2а пог зволяет получить формулу для вычисления коэффициента температуропроводности аэ - 8 в дэ/9 лг. (6) Любое иэ равенств (5}, а также соотношения 0c — 1 -2/(Ас — 2Ac), 0c — 1 i4 S R дают 40 2 0 а дэ K c A,= — 248ыб (1 + ); д, Аг-гА,=С кг, (7) 4 0о идэ где С1 = приборная константа. Определяя экспериментально частоту автоколебаний и критическое значение коэффициента усиления, можно по формулам (6) и (7) вычислить температуропроводность и 50 тепловую активность образца. Экспериментальные исследования теплофизических характеристик ПММА в интервале 46 — 300 К. выполненные с помощью заявляемого устройства. показали. что его 55 разрешающая способность приблизительно на порядок лучше, чем у прототипа, однако дальнейшее увеличение разрешении ведет к снижению устойчивости автоколебаний. Полученные с помощью данного уст1770872 Составитель Н.Грищенко Редактор Т.Иванова Техред М,Моргентал Корректор И.Шмакова Заказ 3738 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 ройства автоколебания по форме много ближе к синусоиде, т.е. не содержит нелинейных искажений шумов и флуктуаций. Это позволяет не только повысить точность измерений, но и автоматизировать измерение периода автоколебаний. Достигнутая в результате измерений точность оценивается в 1,5 . Формула изобретения Устройство для измерения теплопроводности и температуропроводности материалов, содержащее исследуемый образец, термостат, дифференциальную термопару. источник опорного напряжения, регулятор и нагреватель, соединенные в замкнутую систему автоматического регулирования с тепловой обратной связью через образец, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью 5 повышения точности измерений и разрешающей способности устройства, в него дополнительно введен эталонный образец, который расположен между термостатом и нагревателем; причем одна из поверхно1О стей исследуемого образца находится в тепловом контакте с нагревателем, а другая— теплоизолирована и находится в контакте с "горячим" спаем дифференциальной термопары.
