Устройство для измерения коэффициента температуропроводности материалов

 

Использование: в технике теплофизических измерений, в измерительной технике для автоматизации процесса измерения температуропроводимости изоляционных и других материалов с низкой температуропроводностью. Сущность изобретения: в устройстве для измерения коэффициента температуропроводности материалов малоинерционный термопреобразователь, установленный на ненагреваемой поверхности образца, преобразует температуру этой поверхности в электрический сигнал, который содержит переменную составляющую напряжения с частотой принимаемой температурной волны. Выходное напряжение термопреобразователя поступает на один вход дифференциального усилителя низкой частоты, а на другой вход этого усилителя поступает низкочастотный электрический сигнал от генератора, преобразованный по частоте, амплитуде и фазе. Так как мощность малоинерционного нагревателя пульсирует с частотой, равной удвоенному значению частоты генератора, то частота сигнала, поступающего на второй вход дифференциального усилителя, удваивается с помощью удвоителя частоты. Для приведения амплитуды сигнала удвоенной частоты к уровню сигнала на выходе термопреобразователя осуществляется калиброванное ослабление сигнала делителя напряжения во столько раз, во сколько температурная волна ослабляется в контролируемом образце при условии равенства температурной волны толщине контролируемого образца. Блоком электрической задержки сигнал задерживается на время, равное суммарной тепловой постоянной времени малоинерционного нагревателя и приемного малоинерционного термопреобразователя. 1 ил.

Изобретение касается теплофизических измерений и может быть использовано для автоматического измерения коэффициента температуропроводности изоляционных и других материалов с низкой температуропроводностью с повышенной точностью.

Известно устройство для измерения коэффициента температуропроводности изоляционных материалов [1] содержащее источник переменного тока, блок регулирования мощности, малоинерционный нагреватель, контактирующий с контролируемым и эталонным образцами, малоинерционный термопреобразователь, контактирующий с ненагреваемой поверхностью образца, милливольтметр, соединенный с термопреобразователем, и секундомер. Коэффициент температуропроводности рассчитывается по формуле с учетом температуропроводности эталона, толщины контролируемого образца и времени движения максимальной температуры с момента окончания подачи теплового импульса. Точность измерения коэффициента температуропроводности тем выше, чем ближе эталон по своим термическим свойствам и размерам к контролируемому образцу.

Однако при исследовании новых материалов возникают трудности в подборе эталонных образцов с близкими термическими свойствами, что и ограничивает область применения этого устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения коэффициента температуропроводности [2] содержащее первый генератор низкой частоты, соединенный с управляемым источником питания, выход которого соединен с плоским нагревателем, установленным на одной стороне контролируемого образца, малоинерционный термопреобразователь, установленный на другой стороне образца и соединенный через усилитель и первый вход фазочувствительного выпрямителя с индикатором, при этом второй вход фазочувствительного выпрямителя через фазовращатель и удвоитель частоты соединен с выходом первого генератора, второй низкочастотный генератор, соединенный с первым входом измерителя отношения частот, второй вход которого соединен с выходом удвоителя частоты, а выход соединен с вторым цифровым индикатором. Известное устройство позволяет измерять коэффициент температуропроводности изоляционных материалов без сравнения с эталонным образцом.

Однако точность измерения коэффициента температуропроводности образца в этом устройстве зависит от погрешности установки частоты первого низкочастотного генератора, при которой длина температурной волны в образце устанавливается равной его толщине. Указанное равенство фиксируется по индикатору, показывающему величину амплитуды переменной составляющей температуры на ненагреваемой поверхности образца. Однако по указанному индикатору трудно точно зафиксировать ослабление температурной волны в 535 раз, что имеет место, когда длина L температурной волны становится равной толщине δ образца (L δ). Кроме того, использование компенсирующего фазовращателя в цепи опорного напряжения фазочувствительного выпрямителя неэффективно, так как при регулировании частоты первого низкочастотного генератора неизбежно меняется фазовый сдвиг, вносимый этим фазовращателем, и возникает дополнительная погрешность. Наличие специального измерителя отношения частот также снижает точность измерения коэффициента температуропроводности материала из-за больших погрешностей, присущих таким измерителям.

Задачей изобретения является повышение точности и автоматизация измерения коэффициента температуропроводности изоляционных и других материалов с низкой температуропроводностью за счет нулевой индикации равенства длины температурной волны толщине контролируемого образца.

Для этого устройство для измерения коэффициента температуропроводности, содержащее первый низкочастотный генератор, соединенный через вторичный источник питания с малоинерционным нагревателем, установленным на одной стороне контролируемого образца, малоинерционный термопреобразователь, установленный на другой стороне образца, удвоитель частоты, подключенный к выходу первого низкочастотного генератора, фазочувствительный выпрямитель, второй низкочастотный генератор и цифровой измеритель отношения частот, снабжено калиброванным делителем напряжения, блоком электрической задержки, дифференциальным усилителем низкой частоты, делителем частоты и интегратором, при этом первый вход дифференциального усилителя низкой частоты соединен с выходом малоинерционного термопреобразователя, второй вход соединен с выходом удвоителя частоты через последовательно соединенные калиброванный делитель напряжения и блок электрической задержки, выход дифференциального усилителя низкой частоты соединен через усилитель низкой частоты с первым входом фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого соединен с выходом первого низкочастотного генератора, управляющий вход которого соединен с выходом интегратора, подключенного к выходу фазочувствительного выпрямителя, а входы цифрового измерителя отношения частот соединены соответственно с выходом удвоителя частоты и выходом второго низкочастотного генератора.

Введение в схему устройства калиброванного делителя напряжения и блока электрической задержки обеспечивает точную индикацию значения частоты первого низкочастотного генератора, при которой длина температурной волны в образце устанавливается равной его толщине. С помощью делителя частоты, интегратора и фазочувствительного выпрямителя, включенного в указанной последовательности, обеспечивается автоматическое регулирование частоты первого низкочастотного генератора. Использование цифрового частотомера в режиме сравнения частот повышает точность измерения отношения двух частот. Благодаря этому достигается высокоточное и автоматическое измерение коэффициента температуропроводности различных материалов, что обеспечивает решение поставленной задачи на изобретательском уровне.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для измерения коэффициента температуропроводности материалов.

Устройство содержит регулирующий по частоте первый низкочастотный генератор 1, вторичный источник 2 питания, малоинерционный нагреватель 3, контролируемый образец 4, термоизолирующую оболочку 5, малоинерционный термопреобразователь 6, дифференциальный усилитель 7 низкой частоты, удвоитель 8 частоты, калиброванный делитель 9 напряжения, блок 10 электрической задержки, делитель 11 частоты, фазочувствительный выпрямитель 12, интегратор 13, второй низкочастотный генератор 14 и цифровой частотомер 15.

Малоинерционный нагреватель 3 установлен на поверхности контролируемого образца 4 и соединен через вторичный источник 2 питания с выходом низкочастотного генератора 1. Малоинерционный термопреобразователь 6 установлен на нагреваемой поверхности образца 4 и соединен с первым входом дифференциального усилителя 7 низкой частоты. Второй вход дифференциального усилителя 7 соединен с выходом низкочастотного генератора 1 через последовательно соединенные удвоитель 8 частоты, калиброванный делитель 9 напряжения и блок 10 электрической задержки. Выход дифференциального усилителя 7 низкой частоты через делитель 11 частоты соединен с первым входом фазочувствительного выпрямителя 12, второй вход которого соединен с выходом низкочастотного генератора 1, управляющий вход которого через интегратор 13 соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 12. Входы цифрового частотомера 15 соединены соответственно с выходом удвоителя 8 частоты и выходом низкочастотного генератора 14.

Устройство для измерения коэффициента температуропроводности работает следующим образом.

Низкочастотные колебания генератора 1 усиливаются по мощности в источнике 2 и поступают на малоинерционный нагреватель 3, выполненный в виде плоской фольги или тонкой проволоки. Переменная составляющая мощности, рассеиваемой в нагревателе, изменяется по гармоническому закону, что приводит к установлению в образце наряду с постоянным градиентом температуры гармонических колебаний температуры той же частоты с амплитудой и фазой, зависящими от координат приемного малоинерционного термопреобразователя 6. Малоинерционный нагреватель 3 термоизолирован оболочкой 5, что препятствует теплообмену с окружающей средой.

Малоинерционный термопреобразователь 6 преобразует температуру на ненагреваемой поверхности образца в электрический сигнал, который содержит переменную составляющую напряжения с частотой принимаемой температурной волны. Выходное напряжение термопреобразователя 6 поступает на один вход дифференциального усилителя 7 низкой частоты. На другой вход дифференциального усилителя поступает низкочастотный электрический сигнал от генератора 1, преобразованный по частоте, амплитуде и фазе. Так как мощность нагревателя 3 пульсирует с частотой, равной удвоенному значению частоты генератора 1, то частота сигнала, поступающего на второй вход дифференциального усилителя 7, удваивается с помощью удвоителя 8 частоты. Для приведения амплитуды сигнала удвоенной частоты к уровню сигнала на выходе термопреобразователя 6 осуществляется калиброванное ослабление сигнала делителем 9 напряжения во столько раз, во сколько температурная волна ослабляется в контролируемом образце 4 при условии равенства температурной волны толщине контролируемого образца. Блоком 10 электрической задержки сигнал задерживается на время, равное суммарной тепловой постоянной времени малоинерционного нагревателя 3 и приемного малоинерционного термопреобразователя 6.

Частоту F₁ колебаний генератора 1 регулируют до тех пор, пока длина температурной волны L не станет равной толщине δ контролируемого образца 4.

L= 2π/ δ, м где а коэффициент температуропроводности контролируемого материала. В этом случае ослабление N температурной волны в материале составляет N=e= e^-2π 535 раз.

Делителем 9 напряжения устанавливают коэффициент деления равным N. Благодаря этому сравниваемые сигналы удвоенной частоты 2F₁, действующие на входы дифференциального усилителя 7 низкой частоты, равны только при выполнении условия L δ. Если учесть, что при этом фаза принимаемой температурной волны совпадает с фазой излучаемой волны, то сигналы на входе дифференциального усилителя будут равны как по амплитуде, так и по фазе.

Для исключения влияния неравенства фазовых набегов и коэффициентов передач в измерительном (звенья 2, 3 и 6) и опорном (звенья 8 и 10) каналах устройства предварительно производится уравнивание сравниваемых сигналов в отсутствии образца 4 и при начальном коэффициенте передачи делителя 9 напряжения, равным единице. Термопреобразователь 6 приводится в непосредственный контакт с нагревателем 3 и регулировкой коэффициента усиления источника 2 мощности и времени задержки в блоке 10 электрической задержки добиваются нулевого значения сигнала на выходе дифференциального усилителя 7 в диапазоне частот колебаний генератора 1.

В режиме измерения термопреобразователь 6 устанавливается на ненагреваемой поверхности контролируемого образца 4, коэффициент деления в делителе 9 напряжения устанавливается равным N, при этом частоту генератора 1 регулируют до получения нулевого значения разностного сигнала на выходе дифференциального усилителя 7. При этом коэффициент температуропроводности материала образца однозначно определяется частотой генератора 1.

a F₁, В случае невыполнения условия L δ на выходе дифференциального усилителя 7 возникает усиленный разностный сигнал, фаза которого изменяется на 180^о при прохождении через нулевое значение.

Для автоматической регулировки частоты генератора 1 выходной сигнал дифференциального усилителя 7 поступает на делитель 11 частоты, в котором осуществляется деление частоты на два. В результате этого частота сигнала на выходе делителя 11 частоты вновь приводится к частоте генератора 1. Выходной сигнал делителя 11 частоты поступает на один вход фазочувствительного выпрямителя 12, на другой вход которого воздействует непосредственно выходное напряжение генератора 1. Выпрямленное напряжение заряжает интегратор 13, выходное напряжение которого воздействует на управляющий вход генератора 1. Полярность управляющего напряжения выбирается такой, чтобы изменения частоты генератора 1 были направлены к установлению равенства L δ, т.е. к обнулению сигнала на выходе дифференциального усилителя 7 и прекращению заряда интегратора 13.

Если частота генератора 1 превысит требуемое значение, то изменяется фаза разностного сигнала на выходе дифференциального усилителя 7 на противоположную. Из-за этого изменяется полярность выпрямленного напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя 12 и интегратор 13 начинает разряжаться до установления требуемой частоты генератора 1.

Для непосредственного измерения коэффициента температуропроводности а частоту низкочастотного генератора 14 численно устанавливают равной F₂ Гц с учетом толщины δ контролируемого образца.

Выходной сигнал генератора 14 поступает на один вход цифрового частотомера 15, на другой вход которого поступает сигнал с выхода удвоителя 8 частоты. Частотомер 15 используется в режиме измерения отношения частот входных сигналов (F₁/F₂). Частное от деления значений двух частот F₁ и F₂ не зависит при выбранной частоте F₂ от толщины образца δ и пропорционально коэффициенту температуропроводности материала n a, Таким образом, рассмотренное устройство позволяет осуществить автоматическое измерение коэффициента температуропроводности материала а с повышенной точностью.

При допусковом контроле материалов, когда температуропроводность изменяется в небольших пределах, в качестве интегратора 13 целесообразно использовать электронный интегратор, выходное напряжение которого изменяет емкость варикапа, включенного параллельно конденсатору частотозадающей цепочки генератора 1. В случае измерений температуропроводности, когда а меняется в широких пределах, в качестве интегратора 13 можно использовать маломощный электродвигатель, кинематически соединенный с ротором переменного конденсатора в частотно-задающем генераторе 1.

С помощью рассмотренного устройства измерялась температуропроводность образца пенополиуритана толщиной 1 мм. По устройству-прототипу измеренное значение температуропроводности а₁ составило а₁ 0,4349˙10^-6 м²/с. По схеме предложенного устройства температуропроводность а₂ того же образца пенополиуритана равнялась а₂ 0,4036˙10^-6 м²/с. Справочное значение температуропроводности пенополиуретана толщиной 1 мм а_о 0,4056˙10^-6 м²/с.

Относительная погрешность измерения температуропроводности по устройству прототипу γ₁ γ₁ 100% 7,2% Относительная погрешность измерения температуропроводности по предложенной схеме γ₂ γ₂ 100% 0,5% Таким образом, предложенное устройство обеспечивает значительное повышение точности измерения температуропроводности материалов.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, содержащее первый низкочастотный генератор, соединенный через вторичный источник питания с малоинерционным нагревателем, установленным на одной стороне контролируемого образца, малоинерционный термопреобразователь, установленный на другой стороне образца, удвоитель частоты, подключенный к выходу первого низкочастотного генератора, фазочувствительный выпрямитель, второй низкочастотный генератор и цифровой измеритель отношения частот, отличающееся тем, что оно снабжено калиброванным делителем напряжения, блоком электрической задержки, дифференциальным усилителем низкой частоты, делителем частоты и интегратором, при этом первый вход диффенциального усилителя низкой частоты соединен с выходом малоинерционного термопреобразователя, а его второй вход соединен с выходом удвоителя частоты через последовательно соединенные калиброванный делитель напряжения и блок электрической задержки, выход дифференциального усилителя низкой частоты соединен через делитель частоты с первым входом фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого соединен с выходом первого низкочастотного генератора, управляющий вход которого соединен с выходом интегратора, подключенного к выходу фазочувствительного выпрямителя, а входы цифрового измерителя отношения частот соединены соответственно с выходом удвоителя частоты и выходом второго низкочастотного генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1