Устройство для определения теплофизических характеристик материалов

 

ОП ИСАНИЕ

ИУЗО6РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистическик

Республик . (III928212 (6l ) Дополнительное к авт. санд-ву (22) Заявлено 03.10.80 (21) 2987624/18-25 (51)М. Кл.

6 01 М 25/18 с присоединением заявки №

ГЬеуаеретинный квинтет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 15.05.82; Бюллетень №18 ав аелеи вэебретеккй н открытий (53) УДК 536.629. .7 (088.8) Дата опубликования описания 15.05.82 (72) Авторы изобретения

Л.С.Артюхин и А.В.Трофимов

СО

Тамбовский институт химического машиностроения":(71) Заявитель.(5II) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к устройствам для теплдфизических .измерений,,в частности для определения коэффициентов тепло- и температуропроводности материалов.

Известно устройство для определения теплопроводности, содержащее преобразователь мощности, подключенный к кондуктиметру, измеритель разности температур в кондуктиметре, счетно-решающую схему, первый вход которой через компенсационную цепь первого реохорда, запитываемого. постоянным напряжением, соединен с усилителем, запитывающим обмотку управления реверсивного двигателя, вал которого кинематически связан с движками первого и второго реохордов, второй вход схемы соединен с цепью питания второго реохорда, а выход схемы, снимаемый с движка второго реохорда, подключен к регистратору, Причем преобразователь мощности подключен к первому входу схемы, а ко второму входу схемы подключен реостатный выход. автоматического потенциометра, соединенного с .измерителем разности температур (1).

Недостатками устройства являются малая точность определения коэффициента теплопроводности при большом динамическом диапазоне (отношение максимального значения и минималь.ному) изменения входных величин, а

10 также длительность определения теплофизических характеристик, обусловленная необходимостью установления необходимого теплового режима.

Наиболее близким к.предлагаемо15 му техническому решению является устройство для определения коэффициента теплопроводности, содержащее кондуктиметр, измерители температу20 ры в кондуктиметре, счетно-решающую схему, первый вход которой через первый блок переменных коэффициентов (БПК) и компенсационную цепь

rieDaoro реохорда соединен с усили3 92 телем, запитывающим обмотку управле. ния реверсивного двигателя, вал которого кинематически связан с движками первого и второго реохордов и с логическим блоком, выход которого кинематически связан с двумя БПК, а второй вход схемы через второй

БПК соединен с цепью питания второго реохорда, а выход схемы через движок второго реохорда подключен к регистратору. Причем преобразователь мощности подключен к первому входу схемы, а ко второму входу. схемы подключен реостатный выход автоматического потенциометра, соединенного с измерителем разности тем-. ператур f7).

Основным недостатком указанного устройства является длительность определения теплофизических характеристик.

Цель изобретения - ускорение эксперимента по определению теплофизических характеристик исследуемых материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения теплофизических характеристик материалов, содержащее кондуктиметр, измерители температуры s кондуктиметре, счетно-решающую схему, первый вход которой через первый блок переменных коэффициентов и компенсационную цепь первого реохорда соединен с усилителем, запйтывающим обмотку управления реверсивного двигателя, вал которого кинеиатически связан с движками первого и второго реохордов и с логическим блоком, выход которого кинематически связан с двумя блоками переменных коэффициентов, а второй вход схемы через второй блок переменных коэффициентов соединен с цепью питания второго реохорда, а выход схемы через движок второго реохорда подключен к регистратору, дополнительно введен модулируюций блок теплового процесса кондуктиметра и блок управления (БУ), содержащий две цепи, каждая из которых состоит из алгебраического сумматора, усилителя, реверсивного двигателя и реохордов, причем первый выход моделирующего блока и первый измеритель температуры соединены с первым сумматором, а второй выход моделирующего блока и второй измеритель температуры соединены со вто8212 4 выходные цепи первых двух реохордов

1О соединены, соответственно, с первым и вторым входами первой счетно-решающей схемы, а выходная цепь третьего реохорда БУ соединена со вторым входом второй счетно-решающей

1З схемы, выход второго сумматора соединен с вторым усилителем БУ, запитывающим обмотку управления второго рого кинематически связан с вторым ур входом моделирующего блока и движком четвертого реохорда БУ, запитываемого постоянным напряжением, выходная цепь которого подключена к первому входу второй счетно-решаю2s щей схемы.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - принципиальная схема устройства; на фиг.3 - функциональная схема; на фиг.4 — схема модели теплового процесса кондуктиметра.

Устройство содержит кондуктиметр с измерителями температуры, счетно-решающие схемы 2 и 3, регистраторы 4 и 5, блок б управления и модель 7 теплового процесса кондуктиметра.

Иодель теплового процесса кондуктиметра 7 (аналоговый вариант) содержит.(фиг.3) реохорд 32, служащий для задания параметра В, блоки умножения 33 - 35, инвертирующие операционные усилители 36 - 38, операционные усилители 39 и 40, интегра55

46

4S

50 рым сумматором, выход первого сумматора соединен с первым усилителем

БУ, запитывающим первый реверсивный двигатель БУ, вал которого кинематически связан с первым входом моделирующего блока и движками трех реохордов BY, запитываемых напряжением постоянного тока одинаковой величины

) реверсивного двигателя БУ, вал котоСчетно-решающая схема (CРС) 2 (см. фиг.2) состоит из блоков переменных коэффициентов (БПК) 8 и 9, усилителя 10, реверсивного двигателя (РД) 11, логического блока 12, реохордов 13 и 14.

СРС состоит из БПК .15 и 16, усилителя 17, РД 18, логического блока 19, реохордов 20 и 21, Блок 6 управления содержит алгебраические сумматоры 22 и 23, усилители 24 и 25, РД 26 и 27, реохорды 28 - 31.

5 9282 тор 41, блоки 42 — 44, воспроизводящие функции У (), f (t) fy (t)s

Блоки 42 - }4 (()иг,4) построены на реохордах 45 - 54, интеграторах

55 — 61, ин верти рующих операционных усилителях 62 - 70, операционных усилителях 71 и 72, блоках 73 — .

83 умножения.

Устройство работает следующим образом.. . 10

Пусть в кондуктиметре 1 находится образец, выполненный в виде полуограниченного тела, на поверхность которого действует постоянный тепловой поток. Ио)кно показать, что температурное поле в образце имеет следующий вид

U(x,t)= -в — i g — +, (t) 0(0, ) 29 а

Д ) 2. gfat л (2) =, В (с, гдеВ=:

-29 . Га л

) "2gfat

Аг

-- В(Т ехр

1

А = . 2fa.

Ф 1

Ф (2 at) Д 40 2

)(хдв+вдв ) .е- dl, (3) В

Выходные сигналы 0к,, U<< измерителей температуры пропорциональны температурам u(1,С) и И(0,<).

UKE =Кк 0(192) в Kg)=co st, 0кг:—

=Кк U (0, t), KK> =Const (4) .Аналоговая модель вырабатывает сигналы 0м и 0н,, определяемые форму- (2) и (3).

Алгебраические. сумматоры 22 и 23 вырабатывают сигналы 40, 602 °

ll J, =0„-0,, hu, =u, -0м„(5) (оторые через соответствующие усили-. тели 24 и 25 поступают на - обмотки где, 0(х,й) — температура в точке с координатой х.в момент времени, К;

g — - плотность теплового по-. тока, Вт/м 25 а — коэффициент температуропроводности, м /с; коэффициент теплопроводности Вт/(H К)

Реги тррруя температуру в двух зо ,To4Rax с координатами х = 0 и х = К, получаем

12 G управления РД 26 и 27, воздействующие на входы модели (на движки реохордов 32, 45 -. 54) так, чтобы, свести сигналы Л0, (80g к нулЮ.

При Щ = ll02=0 РД 26 и 27 останавливаются, с реохордов 28 - 30 снимается напряжение 0, пропорциональное величине параметра А, а с реохорда 31 снимается напряжение Ug, пропорциональное величине параметра В..

U =К) А, К =соль, 0 =К2 В, К г

= солей. (6)

Величина параметров А и В при

llU> = 402 =0 количественно характеризуют искомые теплофизические харак" теристики исследуемого материала (коэффициенты тепло- и температуро- . проводности).

Напряжение Ч4, V на реохордах 13 и 14 задаются равными следующим величинам

Ч =K - —, К =const.; Ч. =К ;

КЧ .(.7)

Для напряжения 0, Uy, 0у, М< справедливы равенства 0 =Y UI, Uq

=К р 1 в 0у =КД 0вв 0 =i(ц 02 в (8) где K i = 1,...,4 - коэффициен" ты передач БПК 8, 9, 15 и 16.

Так как движки реохордов 1) и 14 перемещаются РД 11 на одинаковый угол, то при равенстве нулю сигнала на входе усилителя 10 справедлива пропорция

U :ׄ = 0,.0„. (9)., Для реохордов 20 и 21 аналогично

1 2= 08 %. (10)

2 8

Из формул (9) и (10) определим U p. и Ug — 4 ЗЬИ Ь

U7 4 7

1г.

"3 % ,2 . 2

С 1

l в а

К К К.. где К, —, — const.

Э

Аналогично для второй счетно-решающей схемы 3 получим

Uv.06 Kg Кг В Кбц "Кг A

U.—

Ч, v ip

— i — iа ." — h :(И

91

1 Г

928212 л

Kg К К К (у. — соФ5 t.

Таким образом, напряжение V>- и !

3 пропорциональны величинам а и

4 -, Искомые величины коэффициентов тепло- и температуропроводности считываются со шкалы регистратором 4 и 5 и фиксируются на диаграммной ленте.

БПК 8, 9, 15 и 16 и логические блоки 12 и 19 служат для увеличения точности выполнения операций умножения и деления на реохордах 8 и 13, 20 и 21. Аналоговые множительно-делительные устройства, построенные на автокомпенсаторах (усилителя lO, РД 11, реохордах 13 и 14), имеют такое положение (нулевое) движков на .реохордах 13 и 14, при котором величина погрешности выполнения операций умножения и деления минимальна. При отклонении от этого положения погрешность возрастает.

При нахождении движок реохордов

13 и 14 вдали от нулевого положения, логический блок 12 изменяет коэффициент передачи БПК 8, например увеличивает его в д раз, одновременно уменьшает коэффициент передачи БПК 9 в И раз. Таким образом, движки реохордов 13 и 14 смещаются в окрестность нулевой точки, где погрешность минимальна, а .результат выполнения.математических операций не зависит от коэффициентов передач

БПК 8 и 9, так как справедливо равенство (61 КВ5 (13)

Для СРС 3 справедливо равенство

Кб2 КЖ (14)

Логические блоки 12 и 19 возможно выполнить на микровыключателях, расположенных, соответственно, на реохо ах 13 и 21. БПК 8, 9, 15 и

16 возможно выполнить на операционЭ ных усилителях, в обратной цепи которых через контакты микровыключателей включены параллельно несколько сопротивлений.

В исходном положении в обратной цепи операционного усилителя БПК включено одно сопротивление. При сра батывании микровыключателя логического блока происходит отключение этого сопротивления и подключение другого сопротивления, т.е. происходит изменение коэффициента передачи БПК.

Рассмотрим возможный вариант построения модели 7 теплового процесса кондуктиметра на элементах аналоговой техники. Для того, чтобы воспроизвести некоторую функцию с помощью элементов аналоговой техники необходимо найти дифференциальное уравнение, решением которого явилась бы заданная функция. Такое уравнение назовем определяющим для заданной функции. дифференциальное уравнение

ВР

Ug(0,t) U(0,t) - †. = O, 13

О(0,0} = 0 (15) является определяющим для функции

u(0, } = ВМТ

Представим функцию U(1,t) в сле2С дующем виде

u(1,t)=u(0 ) f, () ° f(t) f> (t), (16)

А где 9j (t.): — ехр25 д

2g (t) -@ А В; Yy(t)=2((A (I)e 4 f

Для Функций 7 и Я„ определяющие уравнения соответственно NMel()T вид (А- Ж (t)-6 >h)=0; Д(0)

30 У/ (О) = (17}

=ИСАВ, .|Iy (О) =-2АВ. (18)

На основании уравнений (15) - (18) строим схемы (фиг.3 и 4), воспроизводящие модель 7 теплового процесса кондуктиметра.

При замене модели устройство мо4g жет работать с кондуктиметром, воспроизводящим другой теплофизический метод.

Ускорение эксперимента по определению теплофизических характерис р тик исследуемых материалов происходит вследствие того факта, что в процессе измерения происходит сравнение сигналов от кондуктиметра и модели, а блок управления изменяет параметры модели так, чтобы сигналы модели и кондуктиметра совпадали. Поэтому в процессе эксперимента параметры модели характеризуют численные величины искомых теплофизических характеристик, которые фикси55 руются регистраторами. формула, изобретения

Устройство для определения теплофизических характеристик материалов, 928212

10 содержащее кондуктиметр, измерители температуры в кондуктиметре, счетно-решающую схему, первый вход кото" рой через первый блок переменных коэффициентов и компенсационную цепь 5 первого реохорда соединен с усилителем, запитывающим обмотку управления реверсивного двигателя, вал которого кинематически связан с движками первого и второго реохордов иаэс логическим блоком, выход которого кинематически связан с двумя блоками переменных коэффициентов, а второй вход схемы через второй блок переменных коэффициентов соединен с цепью питания второго реохорда, а выход схемы через движок второго реохорда подключен к регистратору, о т л и -: ч а ю щ е е с я тем, что, с целью. ускорения определения теплофизичес- 20 ких характеристик исследуемых материалов, в устройство введен моделирующий блок теплового процесса кондуктиметра и .блок управления {БУ), содержащий две цепи, каждая из которых состоит из алгебраического сумматора, усилителя, реверсивного двигателя и реохордов, причем первый выход моделирующего блока и первый измеритель температуры соедине- 30 ны с первым сумматором, а второй выхоД моделирующего блока и второй измеритель температуры соединены со вторым сумматором, выход первого сумматора соединен с первым усилителем БУ, запитывающим первый реверсивный двигатель БУ, вал которого кинематически связан с первым входом моделирующего блока и движками трех реохордов БУ, запитываемых напряжением постоянного. тока одинаковой величины, выходные цепи первых двух реохордов соединены, соответственно, с первым и вторым входами первой. счетно-решающей схемы, а выходная цепь третьего реохорда БУ соединена со вторым входом второй счетно-ре-, шающей схемы, выход второго суммато ра соединен с вторым усилителем БУ, запитывающим обмотку управления второго реверсивного двигателя БУ, вал которого кинематически связан с вторым входом моделирующего блока и движком четвертого реохорда БУ, запитываемого постоянным напряжением, выходная цепь которого подключена к первому входу второйесчетно-решающей схемы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

11 498539, кл. G 01 N 25/18, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

11 754283, кл. G 01 и 25/ 18,1978 (прототип).

928212

Фиг. 4

ВНИИПИ Заказ 3226/54 Тираж 883 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4