RU1770871C - Устройство дл определени теплофизических характеристик материалов - Google Patents

Abstract

Назначение: изобретение относитс  к тепловым испытани м, а именно к определению теплофмзичесшх характеристик различных изделий и конструкций в процессе их изготовлени  и эксплуатации. Сущность изобретени  заключаетс  в том, что датчик, выполненный в виде термопары с двум  дополнительными термоэлектродами, установлен в эталоне. Гор чий спай термопары и дополнительные термозлектроды расположены в центре рабочего торца эталона, в холодный слай - в эталоне на его оси на рассто нии от гор чего спа , равном дес ти диаметрам шарика рабочего спа . Минимальный линейный размер эталон превышает диаметр шарика спа  на эту же величину. Рабочий торец эталона выполнен плоским в случае исследовани  плоских поверхностей , а в случае образцов сложной формы рабочий торец эталона - в виде тупого конуса. 3 з.п.ф-лы, 3 ил. 1Л С

Description

Изобретение относитс  к области тепловых испытаний, а именно к области определени  теплофизических характеристики (ТФХ) материалов.

Известно устройство дл  определени  теплопроводности материалов, содержащее два выносных стержнеобразных зонда, у которых одни концы контактируют с поверхностью образца, а другие - с термоэлек- трической батареей, автоматический регул тор разности температур зондов, на вход которого через задатчик посто нного комплексирующего напр жени  подключена дифференциальна  термопара, а в цепь его нагрузки включена термоэлектрическа  батаре , и схему измерени  разности температур зондов, состо щую из второй дифференциальной термопары, подключенной к измерителю тзрмо-ЭДС. причем на вход автоматического регул тора разности температур подключена дифференциальна  термопара с рабочими спа ми, расположенными на концах зондов, контактирующих с образцом, а к измерителю термо-ЭДС подключена дифференциальна  термэпэрэ с рабочими спа ми, расположенными на концах зондов, установленных на термоэлектрической батарее.

Недостатком известного устройства  вл етс  его сложность и ограниченность, св - занна  с определением толькс одной ТФХ-теплопроводности.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  устройство дл  измерени  ТФХ материалов, состо щее из датчика, выполненного в виде термопары, имеющей два дополнительных разноименных термоэлектрода , подключенных к источнику посто нного тока, и служащей одноврэменно

VI VI

О 00

-ч

нагревателем, холодильником и датчиком термопары.

Недостатками известного устройства  вл етс  невысока  точность измерений, св занна  с неадекватностью идеальной модели способа и реальной системы, возникающей из-за массивности зонда, а также необходимость внедрени  устройства в исследуемый материал, что ограничивает его применение.

Цель изобретени  - повышение точности и расширение диапазона применени  за счет обеспечени  возможности неразрушающего определени  искомых1 величин.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что термопара с дополнительными разноименными термоэлектродами установлена в эталоне , причем гор чий (рабочий) спай термопары и дополнительных термоэлектродов расположен в центре рабочего торца эталона, а другой спай (холодный) термопары расположен в эталоне на его оси на рассто нии от гор чего (рабочего) спа  не менее чем в 10 раз превышающем диаметр шарика рабочего спа , при этом минимальный размер эталона превышает диаметр шарика спа  на эту же величину.

На фиг.1 показана схема устройства при исследовании плоских поверхностей; на фиг.2 - по снение к обработке экспериментальных данных, полученных при использовании предлагаемого устройства; на фиг.З - схема устройства, позвол ющего определ ть ТФХ изделий с криволинейной поверхностью .

Устройство состоит из эталона 1, выполненного в виде ограниченного цилиндра, на торце которого в центре размещен гор чий (рабочий) спай 2 термопары 3 с дополнительными разноименными электродами 4 и 5. Эти дополнительные электроды соединены с источником 6 посто нного тока На оси эталона 1 на рассто нии Н от гор чего (рабочего ) спа  2, равном 10 диаметрам шарика спа  2, расположен пассивный термостат 7, в котором размещены холодные концы термопары 3. Термопара 3 подключена к регистратору термо-ЭДС (измерительный прибор в который через согласующий блок 9 соединен с генератором временных импульсов 10 и микро-ЭВМ 11. Радиус R3 эталона удовлетвор ет условию R3 Н.

Устройство работает следующим образом .

При подготовке к измерени м создают хороший контакт устройства (рабочего торца эталона) с поверхностью исследуемого образца или издели  12 и в течение некоторого времени систему термостатируют. Кон- троль за процессом термостатировани 

производ т по показани м измерительного прибора 8. После термостатировани  на дополнительные электроды 4,5 подают стабилизированный посто нный электрический

ток. При пропускании посто нного электри- ческого тока через спай 2 термопары он нагреваетс  или охлаждаетс , в зависимости от направлени  тока. Одновременно с подачей тока на дополнительные электроды

4 и 5 включают генератор временных импульсов 10, который через согласующий блок задает интервал регистрации термо- ЭДС измерительному прибору 8. Полученна  с помощью измерительного прибора 8

информаци  накапливаетс  в пам ти микро-ЭВМ 11 и по окончании эксперимента обрабатываетс  согласно программе, реализующей алгоритм способа определени  ТФХ, заложенного в основу работы насто щего устройства.

Теоретические основы метода, реализуемого предлагаемым устройством, заключаютс  в использовании закономерности температурного пол  системы эталон-исследуемый материал, в плоскости которых действует локальный (в виде круга радиусом R) источник посто нной мощности q0. Так при значени х числа Фурье F0 1,5 характер изменени  избыточной температуры Д Т

в месте спа  2 термопары 3 в координатах

АТ1

-у- (где т- врем ) имеет линейный вид (фиг.2)Г „,.Стро  график зависимости Д 1 f(-7-)

по экспериментальным данным в указанном временном диапазоне, можно получить пр мую, продолжение которой до пересечени  с координатными ос ми дает значени 

ДТСт ДТ1 и ---(значение -- соот- Ч vЈFупг

ветствует ДТ - 0). Расчет ТФХ производ т по формулам

5Я ,(1)

ЗлгДТст

Л Л 

а AV(

+ Ьэ).

(2)

где а (Я2/4л-)())

Ьэ Аэ/VaT :

ЯиЯэ - коэффициенты теплопроводно сти исследуемого и эталонного материалов; а и Зэ - коэффициенты температуропроводности исследуемого и эталонного материала .

Значение плотности теплового потока qo определ етс  в калибровочных опытах на образцах с известными ТФХ

Работоспособность предлагаемого устройства провер ли на его макетном варианте со следующими параметрами: эталон - полиметилметакрилат, материал термопары и дополнительных электродов - хромель-капель , размеры эталона - Яэ И ш 10 мм, измерительный прибор - вольтметр универсальный - Щ31,используема  ЭВМ - Роботрон-1715. Врем  проведени  эксперимента - 20 с. Максимальный разогрев - 15 К. Полученные результаты обработки данных показали, что устройство может быть использовано дл  определени  ТФХ твердых, сыпучих и в зких материалов.

При использовании данного устройства дл  исследовани  твердых образцов с плоской поверхностью можно рекомендовать применение смазок, снижающих контактные термические сопротивлени .

С целью расширени  диапазона применени  предлагаемого устройства за счет возможности исследовани  твердых образцов (изделий) с криволинейной поверхностью , рабочий торец эталона может быть выполнен в виде тупого конуса, на острие которого размещен рабочий слой термопары с дополнительными термоэлектродами (фиг.З).

При применении такого устройства создают только контакт рабочегоспа  с повер- хностью исследуемого объекта, а в остальной области между эталоном и исследуемым материалом практически реализуютс  адиабатные услови .

Опыт и обработку данных производ т аналогично, как и при использовании уст ройства с плоским рабочим торцом эталона, за исключением формулы (2), котора  замен етс  в этом случае на выражение

А2/()2.

v

С целью повышени  точности измерений путем исключени  вли ни  имеющихс  градиентов температур и источников тепла

в исследуемом материале также можно рекомендовать проводить измерени  температуры в зоне нагрева относительно такого же дополнительного эталона, который уста5 навливают на поверхность исследуемого материала вне зоны теплового вли ни  и у которого отсутствуют дополнительные термоэлектроды .

Claims (4)

1. Формула изобретени 

   10 1 .Устройство дл  определени  теплофи- зических характеристик материалов, состо щее из датчика, выполненного в виде термопары, имеющей два дополнительных разноименных термоэлектрода, подключен15 ных к источнику посто нного тока и регистратору термо-ЭДС, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  диапазона применени  за счет обеспечени  возможности неразрушающего

   20 определени  искомых величин, термопара с дополнительными термоэлектродами установлена в эталоне, причем гор чий рабочий спай термопары и дополнительные термоэлектроды расположены в центре рабочего

   25 торца эталона, а холодный спай термопары расположен в эталоне на его оси на рассто нии от гор чего спа , которое выбрано из услови  полуограниченности эталона в диапазоне измерени  параметров и отсутстви 

   30 теплового пробо  на холодном спае, при этом минимальный линейный размер эталона превышает диаметр шарика гор чего спа  на величину этого рассто ни .
2. 2.Устройство по п. 1,отличаю щее35 с   тем, что рассто ние между гор чим и холодным спа ми выбрано равным 10 диаметрам шарика гор чего спа .
3. 3.Устройство по п. 1,отличаю щее- с   тем, что в случае исследовани  плоских

   40 поверхностей рабочий торец эталона выполнен плоским.
4. 4.Устройство по п.2, отличающее- с   тем, что в случае исследовани  поверхностей сложной формы рабочий торец эта45 лона выполнен в виде тупого конуса.

   Фи&1

   AT

   AT,

   cm

   Экспериментальные

   /Л0УМ/

   .5

   /

   0&&3