Устройство для определения теплопроводности твердых материалов

 

ОП ИКАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

М AQTQIPCR©МУ СВИДЕТЕЛ СТВУ

Союз Соввтсиии

Социаиистичесиии реснуби

,922602 (61) Дополиительиое к авт. свид-ву(22) Заявлено 12. Îá.80 (21) 2930109/18-25 с присоедииеииеее заяв цю М(23) Приоритет

Опубликовано 23.04.82. Бюллетень М 15

Дата опубликования описания 26. 04. 82 (51) М. Кл.

G 01 М 25/18

1Ьеудерстмииый кемитет

СССР йй делам изаеретеиий и открытий (53) УДК536. 6 (088.8) Т. Г. Гриценко, ll. В. Декуша, О. A. Геращенкф, В. Г. Федоров и В. И. Ыаповалов I

1; -,.

1 -

Институт технической .теплофизики АН УкраинскоЯ CCP

0 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) устРойстВо для опРеделения теплопРоводности

ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к теплофизи- ческим измерениям и может быть ис-! пользовано для определения коэффициентов теплопроводности твердых материалов и изделий, включая микрообъекты.

Известно устройство для определе-. ния коэффициента теплопроводности материалов, содержащее нагреватель и расположенные по обе стороны от него пакеты, собраннь1е из пластин исследуемого материала и металлических пластин с термопарами, причем в каж;, дом пакете помещено па две пластины исследуемого материала неравной тол-, щины, которые расположены несимметрично относительно нагревателя, а толстые и тонкие пластины разных пакетов попарно равны между собой по толщине. Если предположить, что термические сопротивления и перепады температур для обоих пакетов одинаковы, то величина теплового потока, проходяцего через пакеты, будет рав2 на половине моцности, подведенной к

1нагревателю, а разность температур, измеренная термопарами в металличес. ких пластинках, будет соответствовать перепаду температур на слое исследуемого материала, равному разности между толщинами пластин каждого пакета 313.

Недостатками этого устройства являются необходимость в четырех одито наковых исследуемых образцах, что приводит к удорожанию эксперимента и увеличению затрат времени на его подготовку,,измерение малой раэнос15 ти температур, необходимость в an4 паратуре для стабилизации мощности нагревателя и ее измерении. При несоблюдении условия равенства перепадов температур на пакетах и при отсутствии попарного равенства толщины образцов точность измерения падает.

Наиболее близким .к предлагаемому является устройство для определения .теплопроводности, содержащее два

3 .9226 идентичных измерительных блока, каж дый из которых оснащен термостатируемой камерой, выполненной в виде проточного теплообменника, в поверхность которого вмонтированы тепломер и датчик температуры поверхности образца, а также механизм перемещения и установки измерительных блоков и измерительную схему. Коэффициент теплопроводности в этом устрой- )o стае определяют по среднеарифметической плотности теплового потока, прошедшего через исследуемый образец, по толщине образца и разности температур (2 1.

1$

Однако трудности, связанные с градуировкой теплоиеров и термопар после сборки прибора, возможность испытывать образцы только большого диаметра 100 мм, необходимость в из- щ мерении разности температур приводит к необходимости использовать разные вторичные приборы для измерения сигналов тепломеров и термопар.

Цель изобретения - повышение точ- гз ности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения теплопроводности твердых материалов, содержащем два идентичных измери- щ тельных блока, каждый из которых оснащен термостатируемой камерой, тепломером и датчиком температуры поверхности образца, а также механизм перемещения и установки измерительных блоков и измери1ельную схему, в каждый измерительный блок введен полый цилиндрический стержень из высокотеплопроводного материала, контактирующий с тепломером по боковой > поверхности, а с датчиком температуры поверхности образца - по торцовой, в полости которого установлен градуирующий элемент в виде источника регулируемой мощности, а тепломеры выполнены идентичными с заданными термиМевкими сопротивлениями.

На чертеже приведена конструктивная схема устройства.

Устройство содержит два идентич- Е ных измерительных блока, каждый из которых оснащен термостатируемой камерой 1, выполненной в виде проточно го теплообменника, в который вмонтирован тепломер 2, выполненный в виде трубы и контактирующий по наружной поверхности с термостатирующей камерой 1, а:по внутренней поверх02 4 ности - с полым цилиндрическим стержнем 3, выполненным иэ высокотеплопроводного материала (меди, серебра) с вмонтированным в его полость источником 4 регулируемой мощности (например, электронагревателем). На торцовой поверхности стержня 3 установ" лен датчик температуры, служащий для измерения температуры поверхности исследуемого образца б и для определения температуры отнесения. Для предотвращения возникновения конвективных потоков и уменьшения боковых потерь исследуемый образец 6 окружен защитными цилиндрическими муфтами 7, выполненными из высокотеплопроводного материала и контактирующими с термостатируемыми камерами 1. Кроме того, стабильности измерений способствует наличие подвижной изоляционной муфты 8, ограничивающей тепловые потери термостатирующих камер 1 и защитных муфт 7. Нижний измерительный блок закреплен неподвижно на основании прибора 9, а верхний измерительный блок соединен с подвижным винтом 10 механизма перемещения и установки верхнего измерительного блока.

Предлагаемое устройство позволяет определять теплопроводность исследуемого образца 6 как абсолютным методом, так и методом теплометрического моста.

При определении теплопроводности абсолютным методом исследуемый образец б помещают между торцовыми поверхностями цилиндрических стержней

3 и с помощью механизма перемещения и установки верхнего блока прижимают образец к поверхностям стержней 3, После чего рабочее пространство закрывают подвижными муфтами 7 и 8, подключают термостатируемые камеры 1 верхнего и нижнего блоков параллель" но к одному термостату, нагреватель

4 верхнего блока - к источнику питания, а тепломер 2 нижнего измерительного блока и датчики температуры поверхности исследуемого образца

6 включают в измерительную схему. Закончив сборку устройства, включают термастат, с помощью нагревателя 4 устанавливают требуемый уровень теплового потока и после достижения стационарного теплового состояния измеряют тепловой поток тепломером 2 нижнего блока и разность температур датчиками 5.

5 9226

Коэффициент теплопроводности определяют по формуле

aq, р, -Я„ F полученным из решения нижеприведеннои системы уравнений относительно

Ф

И = О „(В1 ), bt = (1 . R где R и R - суммарные термические

1 сопротивления, включающие в себя термические сопротивления тепломеров 2, стержней 3 и контактные термические сопротивления;

Q и 0 - тепловые потоки, измеренные тепломерами 2 нижнего и верхнего измерительных блоков;

А и В - постоянные прибора, определяемые путем градуировки устройства по образцам с известной теплопроводности.

Из анализа формулы (1) следует, что для определения теплопроводности исследуемого образца не требуется измерения перепада температур на образце. Датчики 5 температуры используют при этом методе исследования только для определения температуры отнесения полученных значений коэф" фициента теплопроводности.

Использование в качестве тепловоспринимающего элемента цилиндрического стержня из материала с высокой теплопроводностью, окруженного цилиндрическим тепломером позволяет создать приборы для исследования образцов малого диаметра (от 12 до 2 мм), а использование метода теплометрического

40 где 1 - коэффициент теплопроводности исследуемого образца;

h,F - толщина и площадь поверхности контакта исследуемого образца; ай - перепад температур на образце;

g - тепловой поток, прошедший через образец 6 и измеренный тепломером 2;

3 -. термоЭДС тепломера 2; рабочий коэффициент тепломера (величина обратная чувствительности).

При необходимости опыт может быть проведен с помощью нагревателя нижнего блока и тепломера 2 верхнего.

Для определения величины рабочих коэффициентов тепломеров 2 между стержнями 3 закрепляют батарею дифференциальных термопар (или дополнительный тепломер),работающую в режи ме нуль-индикатора, подключают оба нагревателя 4 к источникам тока и подводят к ним мощность, при которой сигнал батареи дифференциальных термопар равен нулю, Измеряют мощности, подведенные к нагревателям, и термо-ЭДС тепломеров 2 и по их отношениям определяют рабочие коэффи- зз циенты тепломеров.

Для градуировки датчиков температуры поверхности образца 6 между торцами стержней 3 устанавливают плоский эталонный датчик температуры. При отключенных нагревателях

4 прокачивают через термостатируемые камеры 1 теплоноситель с одинаковой температурой и после достижения стационарного режима, при котором показания обоих тепломеров станут равными нулю, измеряют сигналы эталонного и градуируемых датчиков тем" пературы, . I

Из описания методики градуировки ю устройства следует, что она может быть проведена практически в любой теплофизической лаборатории, что является несомненным преимуществом этого устройства, для градуировки которого требуются специальные стенды.

При определении теплопроводности исследуемого образца методом тепло02 6 метрического моста в измерениях участвуют тепломеры 2 и один из нагревателей 4, причем тепломеры 2 являются своеобразными элементами срав" нения при определении теплопроводкости. Для определения теплопроводности в термостатируемых камерах 1 с

1 помощью нагревателя 4 верхнего блока задают требуемый уровень теплового потока, проходящего через образец и после достижения стационарного состояния измеряют термо-ЭДС тепломеров.

Коэффициент теплопроводности рассчитывают по формуле

922602 моста дает возможность проводить исследования при малых перепадах температур на образце (5 ° 10 10 К), что расширяет возможности устройства применительно к исследованию капиллярнопористых влажных материалов.

Как показали испытания опытного образца устройства за счет повышения корректности градуировки при работе абсолютным методом с использованием датчиков температуры, вмонт%руемых в устройство, относительная погрешность составляет в зависимости от перепада температур на образце 1,5-3,5 3, при работе с датчиками температуры, вмон- 15 тированными в образец - 1,5-2 .

При работе на устройстве методом теплометрического моста относительная погрешность определения- коэффициента теплопроводности даже при пе- 2о репаде температур в 10 К лежит в пре.делах 1,7-2 Ф.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР гз N 253412, кл. G 01 и 25/18, 19б7.

2. Авторское свидетельство СССР

N 347б43, кл. G 01 N 25/18, 1970 (прототип), Формула изобретения

Устройство для определения теплопроводности твердых материалов, содержащее два идентичных измерительных блока, каждый из которых оснащен термостатируемой камерой, тепломером и датчиком температуры поверхности образца, а также механизм перемещения и установки измерительных блоков и измерительную схему, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в каждый измерительный блок введен полый цилиндрический стержень из высокотеплопроводного материала, контактирующий с тепломером по боковой поверхности, а с датчиком температуры поверхности образца - по торцовой, в полости которого установлен градуирующий элемент в виде источника регулируемой мощности, а тепломеры выполнены идентичными с заданными термическими сопротив,лениями.