Способ измерения теплоизоляционных свойств материала и устройство для его реализации

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью тепловых средств. Способ включает нагревание вещества, находящегося вблизи слоя материала, при этом слой материала используют для создания полого замкнутого объема. Нагревание вещества в полом замкнутом объеме осуществляют путем помещения в него нагревателя, причем вещество нагревают и охлаждают, а о теплоизоляционных свойствах материала судят по средней мощности теплоотдачи слоя материала. Устройство дополнительно содержит пакет, внутри которого расположен термостат, термодатчик, насос, блок стабилизации температуры и блок измерения средней мощности тепловыделения, причем нагреватель, насос и термодатчик расположены внутри термостата, термодатчик связан с блоком стабилизации температуры, нагреватель и насос электрически связаны с блоком измерения средней мощности тепловыделения. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения проведения измерений на неплоских образцах. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретения относятся к области исследования материалов с помощью тепловых средств, в частности, путем определения коэффициента теплопроводности и промышленно применимы при производстве термоизоляционных материалов.

Известен способ измерения теплоизоляционных свойств материала, включающий нагревание вещества, находящегося вблизи слоя материала [Авторское свидетельство СССР №1545148, МКИ G01N 025/18, 1990 г.]. Недостатком этого способа является невозможность определения теплофизических параметров материалов в изделиях сложной формы.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ измерения теплоизоляционных свойств материала, включающий нагревание вещества, находящегося вблизи слоя материала [Патент США №6116777, МПК G01N 025/00, 2000 г.]. В этом способе между двумя образцами плоского материала с равными толщиной и массой помещают нагреватель таким образом, чтобы образцы располагались симметрично относительно поверхности нагревателя, нагревают образцы в течение определенного промежутка времени, затем охлаждают их в течение такого же промежутка времени и измеряют температуру поверхности образца, обращенной к нагревателю.

Недостатком этого ближайшего аналога является невозможность определения теплофизических параметров материалов в изделиях сложной формы.

Наиболее близким к заявляемому является известное устройство для измерения теплоизоляционных свойств материала, содержащее нагреватель [Патент США №6116777, МПК G01N 025/00, 2000 г.].

Недостатком этого ближайшего аналога является невозможность определения теплофизических параметров материалов в изделиях сложной формы.

С помощью предлагаемых изобретений решается техническая задача расширение функциональных возможностей за счет обеспечения проведения измерений на неплоских образцах.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе измерения теплоизоляционных свойств материала, включающем нагревание вещества, находящегося вблизи слоя материала, слой материала используют для создания полого замкнутого объема, нагревание вещества в полом замкнутом объеме осуществляют путем помещения в него нагревателя, причем вещество нагревают и охлаждают, а о теплоизоляционных свойствах материала судят по средней мощности теплоотдачи слоя материала.

В частности, вещество в полый замкнутый объем можно подавать под давлением с помощью насоса. При этом в полый замкнутый объем можно подавать газообразное вещество или жидкость.

В частности, в полом замкнутом объеме можно создавать циркуляцию вещества.

В частности, можно обдувать, по меньшей мере, часть внешней поверхности слоя материала.

В частности, по меньшей мере, часть внешней поверхности слоя материала можно прижимать к элементу, температура которого ниже температуры вещества.

В частности, можно регистрировать распределение температуры по внешней поверхности слоя материала. При этом распределение температуры по внешней поверхности слоя материала можно регистрировать с помощью тепловизора.

В частности, вещество можно нагревать и охлаждать попеременно. При этом среднюю мощность теплоотдачи слоя материала можно определять при квазистационарном режиме попеременной смены циклов нагрева и охлаждения вещества.

В частности, среднюю мощность Р_то теплоотдачи слоя материала можно определять по формуле:

Р_то=(I_нагрU_нагр)(t_нагр/(t_охл+t_нагр))+(I_насU_нас),

где I_нагр - ток, текущий через нагреватель, U_нагр - напряжение на нагревателе, I_нагр - длительность цикла нагрева, t_охл - длительность цикла охлаждения, I_нас - ток, потребляемый насосом, U_нас - напряжение, подаваемое на насос.

Поставленная задача решается также тем, что известное устройство для измерения теплоизоляционных свойств материала, содержащее нагреватель, дополнительно содержит пакет, внутри которого расположен термостат, термодатчик, насос, блок стабилизации температуры и блок измерения средней мощности тепловыделения, причем нагреватель, насос и термодатчик расположены внутри термостата, термодатчик связан с блоком стабилизации температуры, нагреватель и насос электрически связаны с блоком измерения средней мощности тепловыделения.

В частности, блок измерения средней мощности тепловыделения может быть связан с блоком стабилизации температуры.

В частности, блок измерения средней мощности тепловыделения может содержать измеритель мощности тепловыделения в нагревателе и измеритель мощности тепловыделения в насосе.

В частности, устройство дополнительно может содержать насос подкачки, соединенный шлангом с пакетом. При этом шланг может быть соединен с пакетом через штуцер с клапаном.

В частности, устройство дополнительно может содержать соединенную с пакетом теплоизолирующую крышку, в которую вставлен штуцер.

В частности, крышка может быть соединена с пакетом с помощью фартука с уплотнительной обвязкой.

В частности, устройство внутри пакета дополнительно может содержать воздуховод, соединенный с термостатом.

В частности, в корпусе термостата могут быть выполнены отверстия.

В частности, пакет может быть выполнен из резиноподобного материала.

В частности, пакет может быть выполнен в форме части человеческого тела (например, в форме ступни, головы, туловища, руки).

В частности, пакет может быть вставлен во второй пакет, а объем между пакетами заполнен жидкостью. При этом объем между пакетами может быть дополнительно заполнен пористым водопроницаемым материалом.

Заявляемые изобретения, представляющие собой способ и устройство для его реализации, связаны единым изобретательским замыслом.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема примера конкретного выполнения устройства, реализующего заявляемый способ, а на фиг.2 приведены временные зависимости мощности нагревателя Р=I_нагр(t)U_нагр(t) и температуры вещества Т_вн(t).

Слою материала, теплоизоляционные свойства которого измеряют, придают, например, форму ботинка, содержащего подошву 1 и верхнюю часть 2. Подошва 1 и верхняя часть 2 могут быть выполнены, например, из кожи. Замкнутый объем создают с помощью теплоизолирующей крышки 3. Внутрь ботинка помещают пакет 4. В крышку 3 вставляют штуцер 5 с клапаном 6, соединенный с насосом подкачки 7 с помощью шланга 8. Крышка 3 снабжена фартуком 9 с уплотнительной обвязкой. Внутрь пакета 4 помещают термостат, содержащий корпус 10 и входные отверстия 11. Внутрь термостата помещают термодатчик 12, связанный с блоком термостабилизации 13, насос (вентилятор) 14, который с помощью воздуховода 15 создает циркуляцию воздуха в пакете 4, и нагреватель 16 (стрелками показано направление распространения воздушного потока). Устройство также содержит измеритель мощности тепловыделения 17 в нагревателе 16, измеритель мощности тепловыделения 18 в насосе 14, блок управления и индикации 19, вентилятор 20 внешнего обдува ботинка и измеритель 21 теплового инфракрасного излучения. Ботинок установлен на опоре 22, на которой закреплены держатель 23 вентилятора 20 внешнего обдува ботинка и держатель 24 измерителя теплового инфракрасного излучения 21. На чертеже в соответствующих местах обозначены также температура Т₀ окружающего ботинок воздуха, температура Т_вн воздуха внутри ботинка вблизи термодатчика 12 и температура Т_опор опоры 22, на котором стоит ботинок.

Крышка 3 в виде пробки по форме близка к цилиндрической и выполнена из пористого хорошо теплоизолирующего материала, например пенопласта. Узкую часть крышки 3 вставляют в ботинок. Ее широкая часть имеет размеры больше, чем верхняя часть ботинка (голенище) 2, и тем самым сверху закрывает ботинок. Пакет 4, выполненный из тонкого, эластичного, хорошо проводящего материала, например из металлизированной тонкой пленки полиэтилена или тонкой алюминиевой фольги, обтянутой снаружи капроновым материалом (чулком), приклеивают без зазоров к узкой цилиндрической части крышки 3. Размер пакета по объему превышает внутренний объем ботинка, так чтобы при наполнении этого пакет 4 воздухом при небольшом избыточном давлении он расширяется и прижимается ко всей внутренней поверхности ботинка.

Небольшое избыточное давление (0,01-0,1 атм) в пакете 4 создается с помощью насоса подкачки 7 с малым расходом и давлением, например насоса, аналогично используемого в аппаратах для измерения давления крови человека. Воздух от насоса 7 по шлангу 8 (шланг ПВХ) подается через пластиковую трубку 5 и клапан (автомобильный ниппель) 6 в полость пакета 4.

С целью улучшения теплоизоляционных свойств крышки 3 к ней по периметру без зазоров прикрепляется фартук 9 в виде цилиндрического чехла. Другой конец фартука 9 плотно надевается на голенище 2, например, с помощью обтягивающей по периметру резинки. Фартук 9 выполняют из хорошо теплоизолирующего эластичного материала, например из вспененного полистирола.

К крышке 3 в ее центральной части со стороны, обращенной внутрь ботинка, крепится корпус 10 термостата, представляющий собой трубу. В верхней части корпуса 10 термостата проделаны многочисленные отверстия 11 диаметром 2-5 мм, легко пропускающие воздух. Внутри корпуса 10 термостата ниже отверстий 11 крепится термодатчик 12, а затем ниже располагается насос (вентилятор) 14, например, в виде двигателя постоянного тока, на валу которого прикреплен пропеллер или крыльчатка. Насос 14 ориентирован для прокачки воздуха в нижнюю сторону корпуса 10 термостата. В нижней части термостата расположен нагреватель 16, выполненный, например, в виде нескольких последовательно расположенных спиралей нихромовой проволоки или решетки из термосопротивлений.

К нижней части корпуса 10 термостата приклеивают по периметру без зазоров воздуховод 15, выполненный, например, из плотной ткани, целлофана и т.п. Одну из сторон воздуховода 15 герметично прикрепляют к нижней части корпуса 10 термостата. Другую сторона воздуховода 15 направляют в носок ботинка. Длина воздуховода 15 зависит от размера ботинка и выбирается такой, чтобы выходной конец воздуховода 15 почти достигал носка ботинка (отстоял на расстоянии 2-20 мм).

Измерители мощности 17 и 18 используются для измерения электрической мощности, подводимой к нагревателю 16 и насосу 14 соответственно. Измерители мощности 17 и 18 представляют собой включенные в электрическую цепь вольтметр и амперметр. Измеряемые значения напряжения и тока перемножаются с помощью блока управления и индикации 19, что дает мощность электропитания, подводимую к нагревателю 16 и насосу 14.

Термодатчик 12, например термосопротивление, устанавливают в верхней части корпуса 10 термостата выше насоса 14. Этот термодатчик 12 измеряет температуру Т_вн воздушного потока на входе в корпус 10 термостата.

Блок термостабилизации 13 электрически связан с термодатчиком 12 насосом 14, нагревателем 16 и осуществляет с их помощью термостабилизацию температуры воздуха, циркулирующего внутри пакета 4. Блок управления и индикации 19 электрически связан с насосом подкачки 7, блоком термостабилизации 13 и измерителями мощности 17 и 18. Блок 19 представляет собой, например, микрокомпьютер, в котором заложена программа алгоритма работы устройства, а также алгоритм измерения средней мощности энергопотребления насоса 14 и нагревателя 16 в режиме теплового равновесия. Измеренная таким образом средняя мощность энергопотребления является объективной характеристикой теплоизоляционных свойств материала ботинка Измеряемым объектом может быть любая другая обувь, одежда и т.п.

Вентилятор 20 предназначен для обдува с различной скоростью воздухом внешней поверхности измеряемого объекта. Тем самым имитируются условия эксплуатации измеряемого объекта и температура Т₀ окружающего его воздуха. Приемник 21 теплового инфракрасного излучения предназначен для измерения неоднородностей теплоизоляционных свойств различных частей измеряемого объекта. Измеряемый объект опирается на опору 22, находящуюся при температуре Т_опор.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Насос подкачки 7 включают и создают внутри мешка 4 небольшое избыточное давление, после чего насос 7 отключается. В блоке термостабилизации 13 устанавливают режим (величину термосопротивления), соответствующий разности температур ΔT=Т_вн-Т₀. При эксплуатации обуви характерно значение ΔТ=30°С. Блок управления и индикации 19 включает насос (вентилятор) 14, нагреватель 16, измерители мощности 17 и 18. Насос (вентилятор) 14 прогоняет воздух через нагреватель 16, где воздух нагревается и по воздуховоду 15 поступает в носок ботинка. После выхода из воздуховода 15 воздух движется вдоль внутренней поверхности ботинка и достигает входных отверстий 11 термостата. Пройдя через эти отверстия 11, воздух, обдувая термодатчик 12, под действием насоса (вентилятора) 14 опять возвращается в ботинок по описанному выше пути. В процессе прохождения воздухом полного замкнутого цикла, начатого на входе в насос 14 и здесь же заканчивающегося, воздух сначала нагревается в нагревателе 16, а затем охлаждается в процессе обдува внутренней поверхности ботинка. В среднем температура воздуха в ботинке повышается. Через некоторое время наступает момент, когда температура воздуха в ботинке Т_вн станет не намного больше (примерно на 0,1-0,5°С) заданной разности ΔТ (фиг.2). Это превышение температуры зафиксирует термодатчик 12, блок термостабилизации 13 уменьшит величину тока в нагревателе 16 или отключит подачу тока к нему. Насос 14 осуществляет циркуляцию воздуха независимо от работы нагревателя 16. Через некоторое время воздух внутри ботинка охладится до температуры ниже Т_вн, этот момент зафиксирует термосопротивление 12, и блок термостабилизации 13 включит ток в нагревателе 16, который начнет нагревать циркулирующий в ботинке поток воздуха. Через некоторое время температура воздуха в ботинке достигнет и слегка превысит заданную разность ΔТ (фиг.2). В этот момент произойдет срабатывание термодатчика 12 и отключение нагревателя 16, и воздух в ботинке начнет охлаждаться. Таким образом, циклы нагрева будут чередоваться с циклами охлаждения. Наступит момент квазистационарного равновесия, когда длительности периодов охлаждения t_охл и нагрева t_наг перестанут изменяться (фиг.2). При этом квазистационарном равновесии средняя мощность Р_нагр тепловыделения нагревателя 16 совместно со средней мощностью Р_нас, подводимой к насосу (вентилятору) 14, будет равна средней мощности Р_то теплоотдачи ботинка в окружающую среду:

Измерители мощности 17 и 18 дадут значения Р_нагр и Р_нас соответственно, что позволяет найти среднее значение мощности Р_то теплоотдачи ботинка в квазистационарном режиме попеременной смены циклов его нагрева и охлаждения, характеризующее теплоизоляционные свойства ботинка.

Средние значения мощностей Р_нагр и Р_нас определяются по данным соответствующих измерителей мощности:

где I_нагр - ток, текущий через нагреватель 16, U_нагр - напряжение на нагревателе 16, t_нагр - длительность цикла нагрева, t_охл - длительность цикла охлаждения,

где I_нас - ток, потребляемый насосом, U_нас - напряжение, подаваемое на насос.

Среднее значение мощности Р_то теплоотдачи изделия определяется из формулы:

Все измеряемые параметры поступают на блок управления и индикации 19, который с помощью соответствующей программы постоянно вычисляет значение Р_то.

Условия охлаждения ботинка могут меняться с помощью вентилятора 20 и усилий прижима ботинка к поверхности опоры 22 с температурой Т_опор с помощью, например, струбцины специальной формы.

Вентилятор 20, закрепленный на держателе 23, может обдувать ботинок, имитируя условия его эксплуатации при ветре. Скорость обдува зависит от скорости вращения пропеллера (крыльчатки) вентилятора 20.

Приемник 21 теплового инфракрасного излучения (крепится на держателе 24) последовательно направляют на различные участки измеряемого объекта и фиксируют интенсивность теплового инфракрасного излучения, которая однозначно связана с температурой поверхности и соответственно с интенсивностью теплового потока, идущего изнутри измеряемого объекта и приводящего к охлаждению внутренней части измеряемого объекта (ботинка). Применение приемника 21 теплового инфракрасного излучения позволяет выявить места, где в наибольшей степени происходит утечка тепла. В качестве приемника 21 теплового инфракрасного излучения может быть использован матричный приемник инфракрасного излучения, перед которым установлена оптическая система, дающая изображение измеряемого объекта в плоскости матричного приемника инфракрасного излучения. С каждого элемента матричного приемника сигнал передается на дисплей, и в результате наблюдается распределение температуры по поверхности измеряемого объекта, то есть тепловизионная картина. По сути, в качестве приемника 21 инфракрасного излучения в данном случае используется тепловизор.

1. Способ измерения теплоизоляционных свойств материала, включающий нагревание вещества, находящегося вблизи слоя материала, отличающийся тем, что слой материала используют для создания полого замкнутого объема, нагревание вещества в полом замкнутом объеме осуществляют путем помещения в него нагревателя, причем вещество нагревают и охлаждают, а о теплоизоляционных свойствах материала судят по средней мощности теплоотдачи слоя материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вещество в полый замкнутый объем подают под давлением с помощью насоса.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в полый замкнутый объем подают газообразное вещество.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в полый замкнутый объем подают жидкость.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полом замкнутом объеме создают циркуляцию вещества.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что обдувают, по меньшей мере, часть внешней поверхности слоя материала.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть внешней поверхности слоя материала прижимают к элементу, температура которого ниже температуры вещества.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрируют распределение температуры по внешней поверхности слоя материала.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что распределение температуры по внешней поверхности слоя материала регистрируют с помощью тепловизора.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что вещество нагревают и охлаждают попеременно.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что среднюю мощность теплоотдачи слоя материала определяют при квазистационарном режиме попеременной смены циклов нагрева и охлаждения вещества.

12. Способ по п.2, отличающийся тем, что среднюю мощность Р_то теплоотдачи слоя материала определяют по формуле

р_то=(I_нагрU_нагр)(t_нагр/(t_охл+t_нагр))+(I_насU_нас),

где I_нагр - ток, текущий через нагреватель, U_нагр - напряжение на нагревателе, t_нагр - длительность цикла нагрева, t_охл - длительность цикла охлаждения, U_нас - ток, потребляемый насосом, U_нас - напряжение, подаваемое на насос.

13. Устройство для измерения теплоизоляционных свойств материала, содержащее нагреватель, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит пакет, внутри которого расположен термостат, термодатчик, насос, блок стабилизации температуры и блок измерения средней мощности тепловыделения, причем нагреватель, насос и термодатчик расположены внутри термостата, термодатчик связан с блоком стабилизации температуры, нагреватель и насос электрически связаны с блоком измерения средней мощности тепловыделения.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что блок измерения средней мощности тепловыделения связан с блоком стабилизации температуры.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что блок измерения средней мощности тепловыделения содержит измеритель мощности тепловыделения в нагревателе и измеритель мощности тепловыделения в насосе.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит насос подкачки, соединенный шлангом с пакетом.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что шланг соединен с пакетом через штуцер с клапаном.

18. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит соединенную с пакетом теплоизолирующую крышку, в которую вставлен штуцер.

19. Устройство по п.13, отличающееся тем, что крышка соединена с пакетом с помощью фартука с уплотнительной обвязкой.

20. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно внутри пакета дополнительно содержит воздуховод, соединенный с термостатом.

21. Устройство по п.13, отличающееся тем, что в корпусе термостата выполнены отверстия.

22. Устройство по п.13, отличающееся тем, что пакет выполнен из резиноподобного материала.

23. Устройство по п.13, отличающееся тем, что пакет выполнен в форме части человеческого тела.

24. Устройство по п.13, отличающееся тем, что пакет вставлен во второй пакет, а объем между пакетами заполнен жидкостью.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что объем между пакетами дополнительно заполнен пористым водопроницаемым материалом.