Способ определения теплофизических свойств твердых и дисперсных материалов в виде стержней

 

Способ относится к измерительной технике. В способе используют два одинаковых источника тепла постоянной мощности, которыми воздействуют на теплоизолированные эталонный и испытуемый материалы в виде ограниченных стержней. В результате действия источников тепла и измерения температур в фиксированной и подвижной точках контроля определяют отношение скоростей изменения температур и координату подвижного датчика температуры. Технический результат - повышение точности определения. 2 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. Область применения - определение теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов в виде стержней.

Известен способ определения теплофизических свойств материалов (ТФС), основанный на принципе квазистационарного режима, в котором неограниченную пластину толщиной 2R нагревают с обеих сторон тепловым потоком постоянной мощности Q и регистрируют значения температур на поверхности и в центре пластины. (Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов). - М.: Физматгиз, 1962, с.177-182).

Недостатком этого способа является длительное время наступления квазистационарного теплового режима для неограниченной пластины и необходимость внедрения датчика температуры в центр исследуемого материала.

Известен также способ определения коэффициента теплопроводности тонких труб и стержней, наиболее близкий к данному техническому решению, заключающийся в том, что исследуемый образец нагревают постоянным тепловым потоком так, что в трех точках контроля измеряют значения температур, удовлетворяющих заранее заданному соотношению (авторское свидетельство СССР 1782320, кл. G 01 N 25/18, 1992).

Недостатком способа является низкая точность измерений.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности теплофизических измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что используют источники тепла постоянной мощности, которыми воздействуют на теплоизолированные эталонный и испытуемый материалы в виде ограниченных стержней равной длины, источники тепла имеют одинаковую мощность и прикладываются к одному из торцов каждого стержня, при наступлении квазистационарного теплового режима измеряют значения температур датчиком температуры в фиксированной точке контроля испытуемого материала и подвижным датчиком температуры в точке контроля эталонного материала, подвижный датчик перемещают вдоль стержня в точку, где выполняется условие определяют отношение скоростей изменения температур и координату подвижного датчика температуры, ТФС испытуемого материала определяют по формулам: где а₂ - коэффициент температуропроводности испытуемого материала, λ₂ - коэффициент теплопроводности испытуемого материала, а₁ - коэффициент температуропроводности эталона, λ₁ - коэффициент теплопроводности эталона, R - длина стержней, х₁ - координата точки контроля подвижного датчика, х₂ - координата фиксированной точки контроля испытуемого материала, Т₁ - значение температуры в точке х₁, Т₂ - значение температуры в точке х₂.

Приведенные формулы получают на основании следующих рассуждений. При действии на теплоизолированный стержень ограниченной длины с одного из торцов источником тепла постоянной мощности и при наступлении квазистационарного теплового режима, наступающего при значениях имеет место линейная функция относительно τ, которая для эталонного и испытуемого материалов имеет вид: На основании (3) угловой коэффициент для каждой линейной функции рассчитывают как: Из полученных пропорций получают следующее равенство: анализ которого показывает, что если функцию Т₁ умножить на отношение угловых коэффициентов, а именно то график новой функции будет параллелен функции Т₂, фиг.1.

Таким образом, графики линейной функции T'₁ для эталонного материала и Т₂ для испытуемого материала совпадают, если соотношение их угловых коэффициентов будет удовлетворять условию (4), а значения начальных ординат равны, т.е.:

Составив систему уравнений:

ТФС испытуемого материала определяют по формулам (1), (2).

На фиг. 2 показана схема устройства, реализующая предлагаемый способ определения ТФС.

Устройство содержит эталонный 1 и испытуемый 2 материалы в виде стержней длиной R, на торцах которых устанавливают одинаковые нагреватели 3, стабилизированный источник питания 4, подвижный датчик температуры 5, устанавливаемый и перемещаемый вдоль стержня эталонного материала, датчик температуры 6, устанавливаемый на испытуемом материале. Сигнал от термопар поступает на вход дифференцирующего блока 7, вычисляющего производную функции Т₂ при изменении аргумента Т₁, выход дифференцирующего блока соединен со входом умножителя 8, на второй вход которого поступает сигнал от датчика температуры 5, таким образом, на выходе умножителя получают функцию T'₁. Сигнал от датчика температуры 6 и с выхода умножителя 8 поступает на вход операционного усилителя с дифференциальным входом 9, управляющего реверсивным двигателем 10, который обеспечивает через винтовую передачу перемещение подвижного датчика температуры 5.

Способ осуществляют следующим образом. На эталонный и испытуемый материал воздействуют нагревателями заданной постоянной мощности 3, устанавливаемой источником питания 4. В момент времени регистрации квазистационарного теплового режима (т.е. отношение скоростей изменения температур, вычисляемое дифференцирующим блоком, постоянно) и в результате работы дифференцирующего блока, умножителя, операционного усилителя, реверсивного двигателя, сигналы от датчика температуры 6 и с выхода умножителя уравновешивают, а датчик температуры 5 автоматически устанавливают в точку ₁, значение которой измеряют.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить точность определения коэффициентов тепло- и температуропроводности твердых и дисперсных материалов по сравнению с прототипом в результате использования эталонного материала и автоматического выставления подвижного датчика температуры в заданную точку без использования априорной информации об предполагаемом значении коэффициента теплопроводности испытуемого материала.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических свойств твердых и дисперсных материалов в виде стержней, заключающийся в нагреве испытуемого материала источником тепла постоянной мощности, измерении температуры в заданных точках контроля, отличающийся тем, что используют теплоизолированные эталонный и испытуемый материалы в виде ограниченных стержней равной длины, два источника тепла одинаковой мощности, которые прикладывают к одному из торцов каждого стержня, при наступлении квазистационарного теплового режима измеряют значения температур датчиком температуры в фиксированной точке контроля испытуемого материала и подвижным датчиком температуры в точке контроля эталонного материала, подвижный датчик перемещают вдоль стержня в точку, где выполняется условие

определяют отношение скоростей изменения температур и координату подвижного датчика температуры, а искомые теплофизические свойства испытуемого материала рассчитывают по формулам

где а₂ - коэффициент температуропроводности испытуемого материала;

λ₂ - коэффициент теплопроводности испытуемого материала;

а₁ - коэффициент температуропроводности эталона;

λ₁ - коэффициент теплопроводности эталона;

R - длина стержней;

х₁ - координата точки контроля подвижного датчика;

х₂ - координата фиксированной точки контроля испытуемого материала;

Т₁ - значение температуры в точке х₁;

Т₂ - значение температуры в точке х₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2