Способ измерения относительной теплопроводности при внешнем воздействии

Авторы патента:

G01N25/18 - путем определения коэффициента теплопроводности (с помощью калориметрических измерений G01N 25/20; путем измерения сопротивления электрически нагреваемого тела G01N 27/18)

Владельцы патента RU 2569933:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения относительной теплопроводности материалов. Плоский исследуемый образец известной толщины помещают между двумя алмазными наковальнями с теплопроводностью, существенно превышающей теплопроводность образца, и подвергают высокому давлению, предварительно установив в верхнюю наковальню нагреватель. Затем изменяют величину внешнего воздействия давления. По изменению разности температур между верхней и нижней наковальнями рассчитывают относительное изменение теплопроводности образца при изменении давления. Мощность источника теплоты при этом постоянна. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 2 ил.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения относительной теплопроводности материалов.

Известен способ определения теплопроводности (патент RU №2343466, МПК G01N 25/18, опубл. 2009.01.10), заключающийся в том, что плоский исследуемый образец известной толщины и плоский эталонный образец с известным тепловым сопротивлением приводят в тепловой контакт. Создают заданную разность температуры между внешними плоскостями эталонного и исследуемого образцов и в стационарном режиме измеряют температуру в плоскости теплового контакта. Предварительно устанавливают в эталонный образец параллельно этой плоскости источник теплоты, разделяющий эталонный образец на внутреннюю часть и наружную часть с известным тепловым сопротивлением. Затем изменяют тепловой поток источника теплоты от нуля до такого значения, при котором перепад температуры на исследуемом образце становится равным половине заданной разности температуры. По достижении стационарного режима определяют теплопроводность исследуемого образца. При этом разность температуры задают положительной, если перепад температуры на исследуемом образце меньше, чем на эталонном, и отрицательной, если больше, чем на эталонном.

Недостатками этого способа являются:

1. Использование дополнительных материалов - эталонных образцов.

2. Низкое быстродействие вследствие необходимости установления стационарного теплового режима для проведения измерений.

3. Постоянное внешнее воздействие (давление, температура, влажность).

Положительные качества:

1. Измерение абсолютного значения теплопроводности.

Наиболее близкое техническое решение описано в статье. Pierre Beck, Alexander F. Goncharov, Viktor Struzhkin, Burkhard Militzer, Ho-Kwang Mao and Russell J. Hemley. Measurement of thermal diffusivity at high pressure using a transient heating technique. Applied Physics Letters, 91:181914-3, 2007.

Известный способ измерения теплопроводности заключается в следующем: тонкую иридиевую пленку помещают между слоями образца в ячейку алмазной наковальни и подвергают высокому давлению, 50 гигапаскалей, а затем применяют микросекундные лазерные вспышки для нагрева образца до 2500 градусов по шкале Кельвина. По теплоотдаче образца иридиевой пленки расчетным способом находят теплопроводность.

Недостатками этого способа являются:

1. Сложный расчетный способ определения теплопроводности.

2. Возможность измерений только при высоких температурах.

3. Использование дополнительных материалов (иридиевая пленка).

Задачей изобретения является определение относительной теплопроводности твердых тел при высоком давлении, уменьшение числа стадий эксперимента и упрощение способа его проведения.

Поставленная задача достигается за счет того, что в заявляемом способе определения относительной теплопроводности материалов плоский исследуемый образец известной толщины помещают между двумя алмазными наковальнями в камере высоких давлений, нагревают образец с помощью источника теплоты, в качестве источника используют нагреватель, который помещен в верхнюю наковальню, регистрируют изменение температур между алмазными наковальнями и по разности температур определяют относительную теплопроводность образца.

Изобретение поясняется следующими иллюстрациями:

фиг. 1 - принципиальная схема установки;

фиг. 2 - зависимость относительной теплопроводности материала от внешнего воздействия давления (Р).

Заявляемое техническое решение реализуется следующим способом.

Исследуемый образец 1 известной толщины h помещают между двумя алмазными наковальнями 2 и 3 с теплопроводностью, существенно превышающей теплопроводность образца, и подвергают высокому давлению. Предварительно установив в верхнюю наковальню источник теплоты, мощность которого постоянна N=const. Затем изменив величину внешнего воздействия давления, регистрируют изменение температур между алмазными наковальнями, по разности температур определяют относительную теплопроводность образца.

При начальном давлении Р₀ измеряем ΔТ₀ (разность температур между верхней и нижней наковальнями). В итоге получаем, что

Увеличиваем давление до значения Р₂ и снова измеряем разность температур

Так как мощность источника теплоты N=const можем приравнять правые части уравнений (1) и (2). Получаем что . Приводим это выражение к следующему виду:

При смене давления теплопроводность образца меняется. Датчики температуры, которые установлены в верхней и нижней алмазных наковальнях, регистрируют изменение температуры, по которому мы можем рассчитать относительную теплопроводность образца. Заявляемый способ позволяет исследовать относительное изменение теплопроводности образцов, непосредственно в процессе эксперимента при изменении внешнеговоздействия, не требует нагрева образца до сверхвысоких температур, а также не требует использование эталонных образцов.

Способ измерения относительной теплопроводности материалов при внешнем воздействии, включающий размещение образца между двумя алмазными наковальнями в камере высоких давлений, нагрев образца с помощью источника теплоты и расчет теплопроводности, отличающийся тем, что в качестве источника теплоты используют нагреватель, который помещен в верхнюю наковальню, регистрируют разность температур между алмазными наковальнями при изменении давления и по разности температур определяют относительную теплопроводность образца.

Изобретение относится к области теплофизики и может быть использовано для определения тепловой проводимости контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами.

Способ определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции в лабораторных условиях // 2568983

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов.

Устройство для измерения теплопроводности // 2564697

Изобретение относится к области технической физики и предназначено для измерения теплопроводности строительных и теплоизоляционных и иных материалов. Устройство для измерения теплопроводности включает тепловой блок, состоящий из малого измерительного нагревателя, малого охранного нагревательного элемента, выполняющего охранную функцию в случае измерения образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции или выполняющего функцию большого измерительного нагревателя в случае измерения образцов больших размеров, большого охранного нагревательного элемента и двух охранных пластин, холодильный блок, состоящий из основания и охранной пластины, установленной под основанием, и измерительную зону, расположенную между тепловым и холодильным блоками.

Способ характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов (варианты) и устройство для его осуществления // 2563327

Изобретение относится к области изучения теплофизических свойств материалов и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. Способы характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов предусматривают нагрев поверхности образцов неоднородных материалов в процессе движения относительно друг друга образцов, источника нагрева и блока регистрации температуры.

Способ определения теплопроводности твердых тел // 2558273

Изобретение относится к способам определения теплофизических характеристик твердых тел и позволяет измерять теплопроводность образцов твердых тел, являющихся малыми во всех трех измерениях.

Способ определения теплофизических свойств твердых материалов // 2556290

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ заключается в нагревании одной из поверхностей образца или ее участка до максимальной температуры, которую поддерживают до момента времени, когда измеряемая разность температур на границах исследуемого участка уменьшится до заданного значения.

Способ определения теплопроводности твердого тела цилиндрической формы при стационарном тепловом режиме // 2551663

Изобретение относится к стационарным способам определения теплопроводности твердого тела и может быть использовано в строительстве и теплоэнергетике для проведения в натурных условиях теплофизических исследований теплоизоляционных материалов, установленных на трубопроводах круглого сечения.

Способ определения теплопроводности теплозащитных покрытий высокотеплопроводных материалов // 2551389

Изобретение относится к области исследования теплофизических свойств материалов и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ осуществляют путем двух тепловых воздействий на двухслойную пластину с последующими охлаждениями, измерения разности температур и теплового потока.

Способ определения теплопроводности // 2550991

Изобретение относится к способам измерений теплопроводности веществ, материалов и изделий и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ осуществляют путем теплового воздействие на образец с последующим охлаждением, измерения разности температур на границах исследуемого участка образца и количества тепла, поступившего в него за время интегрирования разности.

Способ определения коэффициентов теплопроводности пород, теплопередачи через насосно-компрессорные трубы и обсадную колонну и длины циркуляционной системы скважины // 2549663

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и касается определения тепловых свойств пород, слагающих разрез скважины и пласт в целом. Техническим результатом является повышение точности измерения среднеинтегрального значения теплопроводности горных пород по разрезу скважины и определение коэффициентов теплопередачи через НКТ и через обсадную колонну, а также длины циркуляционной системы скважины.

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий // 2570596

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Согласно заявленному способу осуществляют нагрев исследуемого объекта воздействием импульса СВЧ-излучения, измерение в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточной температуры на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся на расстояниях Х1 и Х2 от плоскости электромагнитного воздействия. Определяют зависимость затухания мощности теплового воздействия от глубины исследуемого тела. Затем осуществляют прямолинейную аппроксимацию участка полученной кривой, ограниченного поверхностью исследуемого объекта и точкой, расстояние до которой берется равным значению, превышающим на порядок расстояние до наиболее удаленной от линии теплового воздействия точки контроля х2 избыточной температуры. Измеряют угол α между аппроксимирующей прямой и поверхностью исследуемого тела. Устанавливают рупорную антенну СВЧ-излучения под углом α к поверхности исследуемого тела и осуществляют импульсное тепловое воздействие. Имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие и измеренных избыточных температур в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 5 ил., 3 табл.

Способ установки пленочных образцов при измерении температурной зависимости электрического сопротивления // 2572133

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Для нагрева пленочного образца и измерения его электрического сопротивления помещают образец в корпус кварцевого реактора. Внутри корпуса образец размещают в С-образных зажимах с плоскими губками, выполненными из вольфрамовой проволоки. Образец устанавливают в плоских губках с натягом, величина которого достаточна для удержания образца в заданном положении при нагреве С-образных зажимов. С-образные зажимы раскрепляют на растяжках, выполненных в виде пружин из вольфрамовой проволоки меньшего диаметра. При помощи резистивного подогревателя, размещенного на поверхности корпуса, производят нагрев образца до заданной температуры. Через С-образные зажимы и растяжки на образец подают измерительный ток и определяют напряжение. Измерение температуры образца осуществляют при помощи термопары, которую предварительно устанавливают в центральной части корпуса. Необходимое расстояние от поверхности образца до измерительного элемента термопары и его центрирование по отношению к термопаре осуществляют при помощи упомянутых растяжек. Обеспечивается стабильность электрического контакта и равномерный прогрев образцов. 1 ил.

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий // 2574229

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Согласно заявленному способу на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела. Имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, информацию о тепловом потоке с поверхности круговой области, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 3 ил., 2 табл.

Способ измерения влияния давления до 100 мпа на теплопроводность флюидонасыщенных пористых тел // 2575473

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей, условий образования и разрушения гидратов углеводородных газов в флюидонасыщенных породах пластовых резервуаров месторождений углеводородов, исследования анизотропии теплопроводности насыщенных горных пород. Заявлен способ измерения влияния давления до 100 МПа на теплопроводность флюидонасыщенных пористых тел, представляющий собой разновидность стационарного способа плоского слоя, в котором одинаковые образцы, расположенные симметрично относительно нагревателя, гидравлически изолированы друг от друга. Технический результат - повышение информативности за счет обеспечения возможности в одном опыте измерять влияние гидростатического давления на теплопроводность насыщенного пористого образца относительно теплопроводности такого же образца, находящегося при атмосферном давлении. 1 ил.

Способ измерения эквивалентной температуропроводности верхнего слоя донных осадков морских акваторий и устройство для его осуществления // 2579547

Изобретение относится к области измерения теплофизических характеристик физических сред и может быть использовано в морской биологии и химии для расчета температурных условий существования биологических объектов и течения химических реакций в верхнем слое донных осадков в условиях изменяющейся температуры водного слоя. Способ включает измерение и регистрацию температуры на двух горизонтах в донных осадках и температуры придонного слоя воды в течение 12-15 час, с последующим вычислением эквивалентного коэффициента температуропроводности (а экв) по формуле а э к в = ∂ T ∂ t ∂ 2 T ∂ z 2 , где ∂Т - изменение температуры; ∂t - изменение времени, ∂z - изменение глубины от поверхности осадка. Суть способа основана на использовании морских приливов в качестве естественного источника тепла, температура которого периодически изменяется во времени, доставляя в максимуме прилива более холодную придонную воду из больших глубин в менее глубокие районы акваторий. Технический результат - повышение точности измерений эквивалентной температуропроводности донного грунта. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Устройство наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем // 2582153

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплофизических исследований теплозащитных покрытий на днище поршня и наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня по скорости повышения температуры его внутренней поверхности при нагреве с внешней стороны, и может быть использовано для исследования эффективности влияния теплозащитного покрытия на температуру поршня. Устройство наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем включает баллон сжиженного газа с насадкой, соединенный через регулировочный кран с ротаметром, соединенным шлангом с горелкой Бунзена, которая установлена под испытуемым поршнем, помещенным в цилиндре, имеющем отверстие в нижней части и закрепленном на штативе, на котором также закреплен тепловизор, расположенный над поршнем с его внутренней стороны, причем в нижней части цилиндра установлен защитный экран, а также подвижная заслонка с возможностью перекрытия отверстия в цилиндре. Применение заявляемого устройства позволяет повысить точность определения температуры внутренней поверхности днища поршня во всех ее точках и, соответственно, повысить эффективность оценки теплозащитных покрытий на днище поршня. 1 ил.

Способ определения коэффициентов тепло- и массопроводности пористых материалов на основе макроквантового механизма переноса субстанций (теплоты и влаги) // 2585303

Изобретение относится к технологиям сушки и термовлажностной обработки пористых проницаемых материалов, в частности к способам определения коэффициентов тепло- и массопроводности пористых материалов. Данный способ заключается в определении значений физических констант (объемной плотности, удельной теплоемкости, массоемкости), разности температур или парциальных давлений, определении внутренней эффективной поверхности переноса субстанций (теплоты, влаги) и расчете коэффициентов тепло- и массопроводности по квантово-термодинамическим уравнениям, полученным аналитическим путем. Техническим результатом изобретения является упрощение процесса определения коэффициентов тепло- и массопроводности, а также обеспечение получения точных и однозначных результатов измерения указанных параметров. 4 ил., 1 табл.

Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий // 2587524

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при теплофизических исследованиях теплозащитных покрытий. Заявлена установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий, содержащая вакуумную камеру и источник нагрева образца с теплозащитным покрытием. В качестве источника нагрева образца с теплозащитным покрытием использован плазмотрон, расположенный в вакуумной камере так, что плазменный поток направлен на теплозащитное покрытие образца. Образец с теплозащитным покрытием установлен в кожухе цилиндрического корпуса для охлаждения образца. Кожух со стороны плазмотрона снабжен упорным буртиком для установки образца с теплозащитным покрытием, а с противоположной стороны - крепежными элементами для закрепления образца между буртиком кожуха и цилиндрическим корпусом. В цилиндрическом корпусе выполнен центральный канал для подачи охлаждающей образец воды и по крайней мере два канала для отвода нагретой воды от образца, расположенные симметрично и на равном расстоянии от центрального канала. В центральном и одном из отводных каналов установлены термопары. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса и поверхность образца образуют полость, сообщающуюся с центральным каналом и каналом для отвода воды. На торцевой поверхности цилиндрического корпуса со стороны установки образца выполнена канавка с установленным в нее уплотнительным кольцом. Технический результат - повышение достоверности получаемых результатов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Контрольно-измерительный прибор для определения теплотехнических параметров текстильных материалов // 2589749

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения суммарного теплового сопротивления текстильных материалов. Предложен контрольно-измерительный прибор для определения теплотехнических параметров текстильных материалов, включающий тепловой аккумулятор, состоящий из геля в герметической упаковке, термопары с электроиндикатором и сам образец исследуемых материалов. Герметической упаковке теплового аккумулятора придана форма полого цилиндра, вокруг вертикальных стенок которого оборачивается лента, выполненная из исследуемых материалов. Тепловой аккумулятор вводится в пакет из теплозащитной пленки, размещаемый в свою очередь в прямоугольном прозрачном корпусе со съемной или открывающейся крышкой, дополнительно оснащенном системой подогрева, а также системой определения суммарного теплового сопротивления образца исследуемых материалов, устроенной из двух термопар, переключателей, проводников и электроиндикатора, в роли которого используется измеритель ЭДС. Прибор также оснащен секундомером и портативным трехфункциональным контрольно-измерительным прибором, обеспечивающим дефиницию местных метеорологических данных, в том числе барометрического давления, влажности и температуры воздуха. Технический результат - обеспечение точности и надежности результатов измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов // 2589760

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов. Предложен способ определения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов, включающий импульсное тепловое воздействие на поверхность плоского образца и регистрацию зависимости температуры поверхности образца, противоположной подвергнутой нагреву, от времени с момента начала теплового воздействия с последующим расчетом коэффициента температуропроводности. Тепловой импульс воздействует на кольцевую периферийную область поверхности образца. Регистрируют время достижения половины максимального значения температуры в центре образца с последующим расчетом значения коэффициента температуропроводности по формуле: a=К/τ1/2, где τ1/2 - время достижения половины максимального значения температуры в центре образца; К - коэффициент, не зависящий от материала образца и его толщины, рассчитываемый по формуле: K=τ1/2Э·a Э, где τ1/2Э - время достижения половины максимального значения температуры в центре образца с известным значением коэффициента температуропроводности a Э. Технический результат - повышение точности измерений коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов. 3 ил.