Компаратор для экспресс-измерений коэффициента теплопроводности материалов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союэ Советскых

Соцналыстыческнх

Рвспублнк

R ABTOPCKOhAY CBHQETESlbCTBV (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 29.01.81 (21) 3243184/18-25 (311М. КП.

G 01 М 25/18 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 536. 629, .7(088.8) Опубликовано 0708.82. Бюллетень ¹29

Дата опубликования описания 07.08.82 (72) Автор изобретения

А.Н.Калинин (71) Заявитель

Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (54) КОМПАРАТОР ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ИЗМЕРЕЙИЙ

КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению, а более конкретно к приборам для экспрессиэмерений коэффициента теплопроводности материалов тел произвольной формы, и может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства, где требуются скоростное определение коэффициента теплопроводности материалов реальных тел, в том числе готовых иэделий без нарушения их целостности.

Известны приборы для измерения коэффициента теплопроводности материалов, основанные на зондировании поверхности исследуемого объекта с помощью зондов с последующим сопоставлением с результатами испытаний на стандартных эталонных материалах (1 .

Недостаток известного устройства для измерения коэффициента теплопроводности состоит в необходимости проведения процесса измерения в течение длительного промежутка времени.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является компаратор для экспрессизмерений коэффициента теплопровод-. ности материалов, содержащий два выносных стержнеобразных зонда, блок создания и поддержания постоянной разности температур между неконтактирующими с поверхностью испытуемого материала концами зондов, схему измерения разности температур между контактирующими с поверхностью испытуемого материала концами зондов.

С помощью известного устройства может быть измерен коэффициент теплопроводности материалов, имеющих полированную горизонтальную поверхность (2).

Недостатки известного устройства состоят в том,что при многократных измерениях нарушается конфигурация контактирующих с поверхностью испытуемого материала концов зондов и, следовательно, изменяется площадь контакта зондов с исследуемым телом.

Это, в свою очередь, приводит к нарушению градуировочной характеристи ки прибора и возникновению дополнительной погрешности измерений. При измерениях же эластичных, например резины, и дисперсных, в частности сыпучих и волокнистых материалов, площадь контакта варьирует в больших пределах и может сильно отличаться

ыла при градуиров949449

Л„Л>, (2)

40 где L — длина зонда, S — - площадь поперечного сечения зонда;

D - -диаметр основания наконечника; 45

Л,Лн- коэффициенты теплопроводности материалов зонда и наконечника, Лo — ориентировочное значение коэффициента теплопроводности испытуемого материала.

Такое решение задачи позволяет стабилизировать площадь контакта зондов с материалами, сохраняя ее равной площади оснований наконечников при измерениях на твердых, эластичньп и дисперсных материалах. Погрешность измерений предлагаемым компаратором становится минимальной, когда выполняется соотношение (1), которое получено на основании экспе- 60 риментально-расчетных исследований и должно служить критерием выбора параметров термозондов и наконечников для заданного диапазона измеряемых значений коэффициента теплопро б5

Процесс измерений с помощью компаратора сводится к тому, что термозонды основаниями наконечников прижимают к поверхности исследуемого материала и после установления стационарного теплового режима (2-3 мин) производят отсчет показаний милливольтметра10. Затем по градуировочной кривой данных, полученной в результате таких же измерений на стандартных образцах коэф- фициента теплопроводности, находят искомую величину. ! ке прибора на твердых стандартных образцах, из-за частичного внедрения термсзондов в такие материалы.

Это приводит к низкой точности измерений теплопроводности эластичных и дисперсных материалов. 5

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения коэффициента теплопроводности за счет автоматического учета рельефа поверхности. 10

Поставленная цель достигается тем, что в компараторе для экспресс:измерений коэффициента теплопроводности материалов, содержащем два выносных стержнеобразных зонда, одни 15 концы которых контактируют с поверхностью исследуемого материала, блок создания и поддержания постоянной разности температур между неконтактирующими с поверхностью испытуемого материала концами зондов, схему измерения разности температур между контактирующими с поверхностью испытуемого материала концами зондов, зонды дополнительно снабжены наконечниками с плоскими основаниями, соединенными с зондами шаровыми шарнирами так, что внутренними частями шарниров являются контактирующие с поверхностью. испытуемого материала концы зондов, выполненные в форме шаров с диаметром, превышающим диаметр зондов, а наружными частями шарниров являются сами наконечники, причем зонды и наконечники имеют параметры определяемые из условий З5

0, л

LD (1) водности. При этом за Ло берется среднее иэ этого диапазона. Низкое термическое сопротивление шаровых шарниров, вместе с условием (2), способствуют регистрации температур, близких к температурам поверхности материала в точках зондирования, и следовательно повышению чувствительности прибора.

На чертеже изображена схема теплового компаратора для экспрессизмерений коэффициента теплопроводности материалов.

Компаратор имеет два зонда 1 в форме круглых стержней, которые неконтактирующими с поверхностью исследуемого материала концами закреплены в медные пластинки 2, установленные у полупроводниковой термоэлектрической батареи 3. Контактирующие с поверхностью испытуемого материала концы зондов 1, выполненные в форме шаров 4 с встроенными в них спаями дифференциальной термопары 5, соединены шаровыми шарнирами с наконечниками б, имеющими, например, коническую форму. Наконечники 6 плоскими основаниями приводятся в тепловой контакт с поверхностью исследуемого материала 7. Автоматический регулятор тока 8 с подключенной к нему дифференциальной термопарой 9 и термобатарей 3 поддерживают разность температур между пластинками ? и следовательно между неконтактирующими с поверхностью испытуемого материала концами зондов постояной. Милливольтметр 10 с подключенной к нему дифференциальной термопарой 5 регистрируют разность температур между нижними концами термоэондов, по которой судят о коэффициенте теплопроводности материала 7.

Предлагаемый тепловой компаратор опробован на твердых, эластичных (резине) и дисперсных (порошке) материалах. В экспериментальном образце прибора термозонды и наконечники имели параглетры Ь = 10 м; S

2 ° 10 м ; D= 4 10 м, )1>=

100 Вт/(м.К) (латунь), Д, =

400 Вт/ (м К) (медь) .

949449

Формула изобретения

Геометрические параметры были выбраны заранее, а материал для изготовления термозондов с теплопроводностью Л- = 100 Вт/(м ° К) подбирался по отношению (1) иэ расчета получения максимальной точности измерений коэффициентов теплопроводности Ло, близких к 2,5 Вт/(м К). Для уменьшения термического сопротивления шаровых шарниров они смазывались глицерином. При измерениях на твердых телах лучшая производимость наблюдалась, когда зондируемая поверхность также смазывалась тонким слоем глицерина (менее 0,1 мм) .

Предлагаемый компаратор позволяет по сравнению с известными повысить точность измерений коэффициента теплопроводности твердых тел в 1,31,5 раза, а эластичных и дисперсных материалов в 2-3 раза. Кроме того, компаратор, благодаря одинаковой площади контакта наконечников с твердыми, эластичными и дисперсными материалами, позволяет ограничиться для его градуировки наличием набора стандартных образцов только из твердых материалов, а проводить измерения как на твердых, так и на эластичных и дисперсных материалах.

Компаратор для экспресс-измерений коэффициента теплопроводности материалов, содержащий два выносных стержнеобразных зонда, одни концы которых контактируют с пОверхностью исследуемого материала, блок создания и поддержания постоянной разности температур между неконтактирующими с поверхностью испытуемого материала концами зондов, схему измерения разности температур между контактирующими с поверхностью испытуемого материала концами зондбв, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измере5 ния коэффициента теплопроводности за счет автоматического учета рельефа поверхности, зонды дополнительно снабжены наконечниками с плоскими основаниями, соединенными с зондами

1О шаровыми шарнирами так, что внутренними частями шарниров являются кон-тактирующие с поверхностью испытуемого материала концы зондов выполнен = ные в форме шаров диаметром, превышающим диаметр зондов, а наружными частями шарниров являются сами наконечники, причем зонды и наконечники имеют параметры, определяемые из условий

Л

А

Aq >Ay„ где — длина зонда, S площадь поперечного се25 чения зонда;

I) диаметр основания наконечника;

И A> — коэффициенты теплопро33 водности материалов зон. да и наконечника, Ао — ориентировочное значение коэффициента теплопроводности испытуемого материала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Берман P. Теплопроводность твердых тел. M., "Мир", 1979, с. 22, 2. Калинин А.Н, Прибор с прямым отсчетом коэффициента теплопроводнос40 ти твердых тел произвольной формы.

"Промышленная теплотехника" .1981, т. 3, Р 1, с. 48 (прототип) .

ВНИИПИ Заказ 5734/29

Тираж 887 Подписное

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