Способ измерения теплопроводности и устройство для его осуществления

 

ОПИСА ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик (l1) 6l437l

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 150376 (21) 2335260/18-25 с присоединением ааявин № (23) Приоритет (43) Опубликовано 050778. 61оллетень № 25 (45) Дата опубликования описапия140678

2 (53) и. Кл.

501 )(25/18

Государственный комитет

Совета Министров СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК 624 .139 (088.8) P2) Авторы изобретения

A. Г. Петровичев, Н. И. Горбачев, B. И. Соловьев, A. Н. Смирнов н IO. П. Хорунжин

pl) Заявитель Государственное специальное конструкторское бюро теплофизического приборос роения (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Q ьт

Изобретение относится к области теплофизического приборостроения и может быть использовано при измерении теплопроводности металлов, полупроводников и диэлектриков.

Известны различные способы измерения теплопроводности, например способ монотонного разогрева (lj . О теплопроводности образца в этом случае 10 судят по времени, которое необходимо для изменения температуры эталонного тела на определенную величину при известном перепаде температур. При этом энергия для изменения температуры 15 эталонного тела поступает через исследуемый образец. Ясно, что чем больше теплоцроводность образца, тем меньше времени потребуется для изменения температуры тела на известную величи- 20 ну и наоборот.

Недостаток описанного способа— небольшая точность измерения.

Ближайшим техническим решением к предложенному является способ измерения теплопроводности (2), заключающийся в измерении подводимой мощности широтно-модулированных импульсов нагрева при известном перепаде температур на образце. Величину теплопроводности

А определяют по Формуле: где К вЂ” коэффициент, учитывакщий размеры образца.

Недостаток указанного способа — необходимость измерения трех величин: тока нагревателя, напряжения нагревателя (для определения мощности теплового потока) и перепада температур.

Процессы измерения и вычисления сопряжены с ошибками, снижающими точность измерения. Кроме того, для реализации способа требуется много времени, так как стационарное состояние наступает после длительного подготовительного периода.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Укаэанная цель достигается тем, что измеряют длительность широтно-модулированных импульсов нагрева, задерживают включение счетчика времени относительно фронта указанных импульсов на время, пропорциональное теплоВому потоку, прошедшему помимо образца,.и по измеренной длительности импульсов определяют теплопроводность.

Устройство работает следующим образом.

На нагревателе выделяется тепловой поток (определяемый напряжением и током нагревателя), который проходит через исследуемый образец в теплосток, создавая на образце перепад температур 4Т. Регулятор охранного нагревателя отрабатывает такое напряжение на охранном нагревателе, при котором датчик нулевого теплового потока, расположенный между нагревателями, регистрирует нулевой тепловой поток, В этом случае вся,мощность нагревателя, определяемая значениями напряжения и тока, проходит через образец в. теплосток, и теплообмен нагревателя с окружающей средой отсутствует. Очевидно, измерив значения напряжения и тока нагревателя и перепад температур, можно по формуле (1) найти величину теплопроводности.

Недостатки устройства: сложность конструкции (наличие охранного нагревателя и измерителя перепада температур); длительность измерения; необходимость-измерения трех величин: тока, напряжения, перепада температур; необходимости вычисления полного результата по Формуле (1) .

В предложенном устройстве в измеритель длительности импульсов включено устройство задержки, управляемое сигналами тепломеров.

На Фиг. 1 показана структурная схема предложенного устройства; на

Фиг. 2 — широтно-модулированные импульсы нагрева.

Устройство для измерения теплопроводности (см. Фиг ° 1) состоит иэ блока нагревателя 1 с установленным на нем тепломером 2, активного теплостока 3 (термобатареи), между которыми помещается образец 4, датчика 5 температуры теплостока, датчика б температуры нагревателя, регулятора 7 температуры, управляемого датчиками

5, б, поддерживающего постоянный перепад температур между нагревателем и теплостоком и обеспечивающим температуру блока нагревателя близкой к температуре окружающей среды; счетчика времени 8, измеряющего длительность импульсов нагрева, устройства

9 задержки, управляемого сигналами тепломера 2.

Спустя некоторое время после установки образца 4 наступает стационарное состояние, при котором тепловой поток через образец не зависит от времени. Предполагается, что изменение температуры окружающей среды за время измерения незначительно.

Время измерения составляет несколько минут. Регулятор 7 температуры, поддерживая постоянный перепад темпера

3 614371 4

При измерении теплопроводности предложенным способом необходимо определять только мощность нагревателя, так как К и ьТ -постоянные величины для данной установки. Из выражения (1 ) следует, что в этом случае теплопроводность образца прямо пропорциональна мощности нагревателя 4 при отсут- 5 ствии теплообмена между нагревателем и окружающей средой помимо образца.

Для соблюдения этого условия температура нагревателя должна быть равна температуре окружающей среды, Нагре- )О ватель выполняют иэ стабильных материалов,и,поддерживая постоянной амплитуду тока нагревателя, величину подводимой мощности измеряют по длительности широтно-мсдулированных импульсов ) нагрева. Практически добиться равенства температур нагревателя и окружающей среды с необходимой точностью не удается из-эа колебаний темгературы

Окружающей среды, стабилизация кото- 2О рой — техническая проблема. Очевидно, часть мощности нагревателя пройдет мимо образца и измерение будет выпол " нено с ошибкой, если не вводить поправку на мощность Q . Иэ сказанного ясно, что необходимо измерять не всю длительность широтно-модулированных импульсов нагрева, а только ту их часть, которая пропорциональна мощности нагревателя, прошедшей через образец.

Для этого необходимо счетчик времени, 3(» измеряющий длительность импульсов, включить позднее фронта широтно-модулированных импульсов нагрева на время, пропорциональное мощности я, а выключить вместе с окончанием этого им- . Ю пульса.

Способ состоит иэ следующих операций.

Исследуемый образец помещают между нагревателем и теплостоком. Создают 4П известный перепад температур на образце, измеряют длительность широтномодулированных импульсов нагрева, задерживая включение счетчика времени относительно Фронта укаэанных импульсов на время, пропорциональное тепловому потоку, прошедшему помимо исследуемого образца. По измеренному значению длительности определяют величину теплопроводности.

Можно подобрать такие значения перепада температур и периода следо- 9) вания широтно-модулированных импульсов, что показание счетчика времени будет соответствовать величине теплопроводности. Это значительно упрощает создание автоматических измерительных систем для комплексного определения теплофизических характеристик образцов .

Известное устройство для осуществления способа включает блок импульсного 6О нагревателя с установленными тепломерами, регулятор температуры и измеритель длительности импульсов . 65 б14371

Формула изобретения

Риг. 2

Фиг t тур на образце и поддерживая температуру нагревателя близкой к температуре окружающей срс ды, вырабатывает широтно-модулированные импульсы нагрева (см. фиг. 2) амплитудой 1, длительностью 1 и периодом. т . чем

L большей теплопроводностью обладает образец, тем меньше его тепловое сопротивление и, следователь но, нужен больший тепловой поток от нагревателя

1 для поддержания постоянного перепада дТ; длительность импульсов tq 10 будет пропорциональна теплопроводности и тем больше, чем больше теплопроводность образца ° При этом энергия нагревателя 1 поступает через образец

4 в теплосток 3, температура которого l5 ниже температуры окружающей среды. В случае когда температура окружающей среды равна температуре блока нагре-. вателя, напряжение тепломера 2 равно нулю, так как нет утечки мощности у)

Я . В этом случае устройство 9 задержки не задерживает включения счетчика времени 8 и измеряется полная длительность импульсов нагрева Q ° В случае когда температура окружающей сре- 25 ды ниже температуры нагревателя, напряжение на тепломере 2 не равно нулю.

Устройство 9 задерживает включение счетчика времени на время 1э, и в этом случае измеряется .частйчная

30 мощность импульсов нагрева с учетом паразитной утечки мощности Q .

Из сказанного ясно, что устройство задержки, управляемое сигналом тепломера, позволяет устранить. ошибки измерения, связанные с паразитной утечкой мощности, без применения охранного нагревателя.

1. Способ измерения теплопроводности, заключающийся в измерении подводимой мощности широтно-модулированных импульсов нагрева к образцу при известном перепаде температур на образце, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, измеряют длительность широтно-модулированных импульсов нагрева, задерживают включение счетчика времени относительно Фронта указанных импульсов на время, пропорциональное тепловому потоку, прошедшему помимо исследуемого образца, и по измеренной длительности импульсов определяют теплопроводность, 2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее блок импульсного нагревателя с установленными тепломерами, регулятор температуры и измеритель длительности импульсов блока импульсного нагревателя, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что в измеритель длительности импульсов включено устройство задержки, управляемое сигналами тепломеров.

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Аппаратура для измерения коэффициента теплопроводности жидких проводников тепла. Сб, Новые измерения, приборы и методы их проверки, вып, 10, 1962

2. Шашков А.Г. и др. Методы определения теплонроводности и температуропровадности. М., Энергия, 1973.

ЦНИИПИ Заказ 3688/38

Тираж 1112 Подписное

Филиал ППП Патенr, r.Ужгород,ул.Проектная,4