RU2139528C1 - Устройство и способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов - Google Patents

Устройство и способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов Download PDF

Info

Publication number
RU2139528C1
RU2139528C1 RU98100282A RU98100282A RU2139528C1 RU 2139528 C1 RU2139528 C1 RU 2139528C1 RU 98100282 A RU98100282 A RU 98100282A RU 98100282 A RU98100282 A RU 98100282A RU 2139528 C1 RU2139528 C1 RU 2139528C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bridge
thread
sensor
measuring
additional
Prior art date
Application number
RU98100282A
Other languages
English (en)
Inventor
Ф.Р. Габитов
Ф.Д. Юзмухаметов
А.А. Тарзиманов
И.М. Зайнуллин
И.Р. Саттаров
Original Assignee
Казанский государственный технологический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Казанский государственный технологический университет filed Critical Казанский государственный технологический университет
Priority to RU98100282A priority Critical patent/RU2139528C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2139528C1 publication Critical patent/RU2139528C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Устройство содержит измерительную мостовую схему. В плечо моста с нагревательной нитью-датчиком последовательно включено дополнительное переменное сопротивление. В другое плечо моста, один из входов которого соединен с первой нагревательной нитью и источником питания, последовательно включена. дополнительная нить-датчик с таким же температурным коэффициентом, как и у первой. Мост предварительно балансируют для эталонного, а затем для измеряемого вещества. Строят термограммы и рассчитывают искомые теплофизические характеристики. Устройство позволяет измерить коэффициент теплопроводности, при замкнутых накоротко входе и выходе дополнительной нагревательной нити при нулевом значении дополнительного переменного сопротивления. Это позволяет повысить информативность. 2 с.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплофизических свойств жидкостей и газов, в том числе и в быстропротекающих и необратимых процессах, в потоках при неустановившемся режиме и т.п., а также для измерения нестационарных температур (скоростей).
Известен способ определения коэффициента температуропроводности жидкостей, при котором исследуемую жидкость и жидкость сравнения параллельно пропускают с равными расходами через одинаковые трубки равного сечения, обеспечивая отличие температур стенок трубок от температур жидкостей на участках теплообмена, температуры жидкостей на входе в участки теплообмена поддерживают постоянными, температуры стенок трубок на участках теплообмена поддерживают равными и постоянными по участкам, измеряют расстояние между началом участка теплообмена и сечения, в котором контролируется температура до достижения равенства контролируемых температур, и по соотношению этих расстояний двух участков теплообмена судят об искомой величине [1].
Основным недостатком этого способа является невозможность измерения нескольких теплофизических свойств жидкости, например коэффициентов тепло- и температуропроводности, по которым можно рассчитать остальные теплофизические свойства: коэффициент теплоемкости и коэффициент тепловой активности. Кроме того, из-за большой инерционности этот способ не может быть использован для измерений в быстропротекающих и необратимых процессах.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для автоматического определения коэффициента теплопроводности жидкостей и газов [2], содержащее генератор и измерительный мост с источником питания и ключом, в одно плечо которого включена нагревательная нить - датчик, в три других - переменные сопротивления, а одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенному источнику питания и ключу. Устройство содержит блок регистрации дискретных значений напряжения, блок памяти, вычислительный блок, усилитель и блок управления, один вход которого соединен с одним выходом генератора, второй вход - с первым выходом блока регистрации, девять других - с девятью выходами вычислительного блока, один выход блока управления соединен с первым входом блока регистрации и одним входом блока памяти, второй выход с одним входом ключа и одним входом блока памяти, а три других - с тремя другими входами блока памяти, десять входов которого соединены с десятью выходами блока регистрации, второй вход которого соединен через усилитель с двумя выходами измерительного моста, а девять выходов блока памяти соединены с девятью входами вычислительного блока.
Работа этого устройства основана на измерении и запоминании дискретных значений амплитуды импульса через известные временные интервалы, характеризующей разбаланс моста, в связи с изменением сопротивления нагревательной нити - датчика. Длительность измеряемого импульса задается с помощью генератора. По команде " Пуск " с клавиатуры компьютера по восьми выходам проходит сигнал "Упр.", выбирающий нужное внешнее устройство. Через элемент И проходит сигнал "Упр. " и устанавливает в ожидание элементы 4И, с выходов которых в двоичном коде по два байта будут передаваться дискретные значения напряжений через каждые τ (в данном случае τ = 2 мс). Сигнал "ВВ" с 9-го выхода компьютера n раз подтверждает состояние триггера, в течение которого на датчике генерируется импульс, амплитуда которого определяется источником напряжения. Импульс разбаланса с двух входов другой диагонали моста через дифференциальный усилитель поступает на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Делитель частоты задает длительность импульса и длительность интервалов между дискретными измерениями, т.е. через каждые τ с одного выхода триггера через элемент ИЛИ подается на АЦП разрешение на измерение, через время преобразования сигнал "Конец измерения" с первого выхода АЦП поступает через некоторую задержку на другой вход триггера, чтобы по следующему сигналу с делителя частоты через интервал между дискретным измерением вновь подать разрешение на АЦП для измерения следующего дискретного значения. По сигналу "Запуск АЦП" с триггера через элемент И формируются два импульса для передачи первого и второго байтов формирователями. Сигнал "ВВ" с компьютера через формирователь дважды устанавливает триггер в исходное состояние, а по сигналу "Запуск АЦП" с триггера через элемент И и формирователи на одном выходе триггера устанавливается дважды сигнал "СИП", который поступает на вход компьютера, он и дает разрешение на запись компьютера двух последовательных байтов с выходов элементов 4И блока. В блоке вывода информации через инвертор элементы 4И устанавливается в состояние ожидания, через инвертор и формирователь проходит сигнал "ВВ" на один из входов триггера, который формирует сигналы "СИП", дающие разрешение на последовательное прохождение первого и второго байтов на входы компьютера. В блоке памяти компьютера запись двух байтов в двоичном коде переводится по программе измерений в десятичное число.
Недостатком этого устройства и способа является невозможность измерения нескольких теплофизических свойств, например теплопроводности и температуропроводности, по которым в дальнейшем можно вычислить остальные теплофизические свойства - теплоемкость Cp•ρ = λα и тепловую активность ε = λ/√α .
Если диаметр нити датчика столь мал, что ее тепловой инерционностью можно пренебречь, то из уравнения теплопроводности можно получить известную зависимость избыточной температуры нити во времени:
Figure 00000002

или для двух моментов времени:
Figure 00000003

где
Figure 00000004
- тепловой поток мощности с единицы длины нити l, α - коэффициент температуропроводности жидкости (газа), τ - время, r - радиус нити, λ - коэффициент теплопроводности жидкости (газа), с = 1.781 - постоянная Эйлера, I - постоянный электрический ток, проходящий через нить, R - сопротивление нити до подачи нагрева.
Из (1) следует уравнение для определения теплопроводности, приведенное в описании работы устройства [2]. В соотношение (1) также входит температуропроводность, что свидетельствует о возможности определения α.
Задача изобретения - повышение информативности за счет создания возможности дополнительного измерения температуропроводности.
Поставленная задача решается использованием устройства для определения теплофизических свойств жидкостей и газов, включающего генератор, источник питания, ключ, измерительный мост, в одно плечо которого включена нагревательная нить - датчик, в три других - переменные сопротивления, одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенным источнику питания и ключу, вторая диагональ параллельно подключена к измерительной системе. Причем в плечо моста с нагревательной нитью - датчиком последовательно включено дополнительное переменное сопротивление, в другое плечо моста, один из входов которого соединен с первой нагревательной нитью и источником питания, последовательно включена дополнительная нить - датчик, имеющая такой же температурный коэффициент сопротивления, как и у первой нити - датчика.
Задача также решается способом определения теплофизических свойств жидкостей и газов, включающим предварительную балансировку измерительного моста устройства, нагревательная нить - датчик которого находится в исследуемой среде, задание длительности измерительного импульса и длительности между импульсами, построение термограммы и вычисление определяемых величин по формулам. Причем балансировку моста, задание характеристик импульса, измерение n значений напряжения и построение термограммы проводят предварительно для эталонного вещества, определяют для некоторого момента времени величину Kэ= (ΔT(τ)-ΔT(τ0))/tgφ, где Kэ - расчетная величина для эталонной жидкости, ΔT(τ) и ΔT(τ0) - избыточная температура нити в моменты времени τ и τ0, tgφ= (ΔT(τ)-ΔT(τ0))/ln(τ0), затем балансировку моста, задание характеристик импульса, измерение n дискретных значений напряжения, построение термограммы проводят для исследованного вещества, определяют ΔT(τi)-ΔT(τ0) и τi, при условии Kэ= Kи= (ΔT(τi)-ΔT(τ0))/tgφi, где Kи - расчетная величина для исследуемого вещества, ΔT(τi) - избыточная температура нити в момент времени τi, tgφi= (ΔT(τi)-ΔT(τ0))/ln(τi0) и рассчитывают значение коэффициента температуропроводности исследуемого вещества по зависимости αi= (ατ)/τ, где αi и α - коэффициенты соответственно исследуемого и эталонного веществ, а измерение λ проводят, замкнув накоротко вход и выход дополнительной нагревательной нити при значении дополнительного переменного сопротивления в мостовой схеме равном нулю.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для автоматического измерения теплофизических свойств, где 1 - измерительная система, 2 - источник питания, 3 - ключ.
Два датчика RK и Ri (из платиновой нити диаметром 5 мкм) включены в разные плечи моста. Причем RK во всех измерениях находится в одной и той же среде (в эксперименте использовался н-пентадекан), при одной и той же температуре (в термостате с тающим льдом). Его назначение - выдавать постоянный сигнал сравнения. Это обеспечивается тем, что силу тока в обоих плечах моста поддерживают неизменной, для чего суммы сопротивлений должны быть равны, то есть R1+R3+RK= R2+R4+Ri. При этом температурные изменения сопротивления Ri компенсируют магазином сопротивлений R4. Для обоих датчиков Ri и RK температурные коэффициенты сопротивления одинаковы.
Работа устройства основана на измерении и запоминании дискретных значений амплитуды импульса через известные временные интервалы, характеризующей разбаланс моста, в связи с изменением сопротивления нагревательной нити - датчика.
Длительность измеряемого импульса задают с помощью генератора. По команде "Пуск" с клавиатуры компьютера по восьми выходам проходит сигнал "Упр.", выбирающий нужное внешнее устройство. Через элемент И проходит сигнал "Упр." и устанавливает в ожидание элементы 4И, с выходов которых в двоичном коде по два байта будут передаваться дискретные значения напряжений через каждые τ (в данном случае τ = 2 мс). Сигнал с выхода элемента И блока управления измерениями в блоке синхронизации на одном входе элемента 3И устанавливает одно из разрешений и одновременно через формирователь триггер устанавливается в исходное состояние, выходной сигнал с которого устанавливает в исходное состояние делитель частоты. Сигнал "ВВ" с 9-го выхода компьютера и сигнал с выхода делителя частоты управляют состоянием триггера, т.е. сигнал "ВВ" с компьютера n раз подтверждает состояние триггера, в течение которого на втором выходе появляется задающий импульс, в течение длительности которого через оптрон и открытый транзисторный ключ на датчике измерительного моста генерируется импульс, амплитуда которого определяется источником напряжения.
Импульс разбаланса с двух входов другой диагонали моста через дифференциальный усилитель поступает на аналоговый вход АЦП. Делитель частоты задает длительность импульса измерения Т на датчик измерительного моста, управляя состоянием триггера, и длительность интервалов между дискретными измерениями, т.е. через каждые τ с одного выхода триггера через элемент ИЛИ подается на АЦП разрешение на измерение (сигнал "Запуск АЦП"), через время преобразования сигнал "Конец измерения" с первого выхода АЦП поступает через некоторую задержку на другой вход триггера, т.е. переводит его в состояние ожидания, чтобы по следующему сигналу с делителя частоты через интервал между дискретным измерением вновь подать разрешение на АЦП для измерения следующего дискретного значения. Вместе с измерением происходит преобразование, на десяти выходах АЦП устанавливается значение Ui в двоичном коде. Другая особенность устройства связана с тем, что в машину можно одновременно передать код по восьми входам, а АЦП для большей точности измерения используются с 8, 16, 32 выходами и т.д.
Поэтому в интервале между измерением двух соседних дискретных значений нужно передать Ui в двоичном коде двумя байтами, это передается на четвертые входы элементов 4И. Управляется эта передача сигналами "ВВ" и "СИП". По сигналу "Запуск АЦП" с триггера через элемент И формируются два импульса для передачи первого и второго байтов формирователями. Сигнал "ВВ" с компьютера через формирователь дважды устанавливает триггер в исходное состояние, а по сигналу "Запуск АЦП" с триггера через элемент И и формирователи на одном выходе триггера устанавливается дважды сигнал "СИП", который передается на один из трех входов элемента 3И, на двух других входах которого уже установлены разрешения сигналом "Упр" и импульсом измерения Т. Дважды на выходе элемента 3И формируется сигнал "СИП", который поступает на девятый вход компьютера, он и дает разрешение на запись компьютера двух последовательных байтов с выходов элементов 4И блока. В блоке вывода информации через инвертор элементы 4И устанавливается в состояние ожидания, через инвертор и формирователь проходит сигнал "ВВ" на один из входов триггера, состоянием которого управляют два сигнала "ВВ" и "Запуск АЦП", сигналы с выходов этого триггера формируют сигналы "СИП", дающие разрешение на последовательное прохождение первого и второго байтов на входы компьютера. Первый байт передает информацию с первого по восьмой выходов АЦП, второй - с девятого и десятого входов. В блоке памяти компьютера запись двух байтов в двоичном коде переводится по программе измерений в десятичное число. Таким образом, чтобы провести измерение в режиме автоматизации с помощью предлагаемого устройства, достаточно ввести программу измерения и нажать клавишу "Пуск". Время измерения равно сумме длительности измеряемого импульса и длительности машинных команд. Предлагаемое устройство позволяет измерять параметры кратковременных процессов, например теплопроводность растворов при полимеризации, длительность которых ≤ 1 и т.п. При необходимости от программ измерения можно обратится к программе вычисления необходимого параметра с выводом на печать.
Предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, может работать и в "ручном" варианте. При этом измерительная система в "ручном" варианте не содержит блок регистрации дискретных значений напряжения, блок памяти, вычислительный блок, усилитель и блок управления [4].
В "ручном" варианте это устройство возможно применять только для измерения теплофизических свойств неподвижных жидкостей и газов при постоянстве их температур, давлений, а также при отсутствии химических реакций.
Способ осуществляют следующим образом. Сначала проводят тарировочный эксперимент: Ri помещают в эталонную жидкость, измеряют изменение температуры T нити во времени τ, строят термограмму ΔT(τ)-ΔT(τ0) = f[ln(τ0)], определяют тангенс угла наклона этой термограммы:
Figure 00000005

В качестве эталонной жидкости применяли изооктан с известными свойствами αээ. Затем для некоторого момента времени τ из термограммы находят ΔT(τ)-ΔT(τ0) и вычисляют значение
Figure 00000006

На этом тарировочный эксперимент завершен. Далее переходят к непосредственным измерениям. Теперь Ri помещают в исследуемую жидкость, строят новую термограмму и определяют tgφi. В качестве исследуемой жидкости взяты толуол, изопропилбензол, н-декан, н-додекан. Затем по новой термограмме находят ΔT(τi)-ΔT(τ0) и соответственно τi, для которых справедливо следующее равенство:
Figure 00000007

Уравнение (2) можно представить в виде:
Figure 00000008

Подставляя (5) в (1)
Figure 00000009

Figure 00000010

Приравнивая (6) и (7)
Figure 00000011

При равенстве (3) и (4)
Figure 00000012

или
αэ= αii
окончательно
Figure 00000013

Результаты определения коэффициента температуропроводности толуола, изопропилбензола, н-декана, н-додекана представлены в таблице. В этой же таблице представлены результаты измерения коэффициента теплопроводности λ этих веществ. В последних двух столбцах таблицы приведены значения теплоемкости Cр и тепловой активности ε, рассчитанные по известным термодинамическим соотношениям с использованием экспериментально измеренных значений αi и λi.
Из таблицы видно, что экспериментальные значения α и λ хорошо согласуются со справочными [3] (αc и λc - справочные значения коэффициентов температуропроводности и теплопроводности). Прочерки в таблице означают отсутствие справочных данных по α. Следует подчеркнуть, что при применении способа импульсного нагрева линейного источника измерялись значения α и λ, не искаженные радиационным переносом энергии, поэтому полученные значения α и λ несколько ниже справочных.
Измерение λ проводят, замкнув накоротко вход и выход дополнительной нагревательной нити при значении дополнительного переменного сопротивления в мостовой схеме равном нулю.

Claims (2)

1. Устройство для определения теплофизических свойств жидкостей и газов, включающее генератор, источник питания, ключ, измерительный мост, в одно плечо которого включена нагревательная нить-датчик, в три других - переменные сопротивления, одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенным источнику питания и ключу, вторая диагональ параллельно подключена к измерительной системе, отличающееся тем, что в плечо моста с нагревательной нитью-датчиком последовательно включено дополнительное переменное сопротивление, в другое плечо моста, один из входов которого соединен с первой нагревательной нитью и источником питания, последовательно включена дополнительная нить-датчик, имеющая такой же температурный коэффициент сопротивления, как и у первой нити-датчика.
2. Способ определения теплофизических свойств жидкостей и газов с использованием устройства по п.1, включающий предварительную балансировку измерительного моста устройства, нагревательная нить-датчик которого находится в исследуемой среде, задание длительности измерительного импульса и длительности между импульсами, построение термограммы и вычисление определяемых величин по формулам, отличающийся тем, что балансировку моста, задание характеристик импульса, измерение n значений напряжения и построение термограммы проводят предварительно для эталонного вещества, определяют для некоторого момента времени величину
Kэ= (ΔT(τ)-ΔT(τ0))/tgφ,
где Кэ - расчетная величина для эталонной жидкости;
ΔT(τ) и ΔT(τ0) - избыточная температура нити в моменты времени τ и τ0;
Figure 00000014

затем балансировку моста, задание характеристик импульса, измерение n дискретных значений напряжения, построение термограммы проводят для исследуемого вещества, определяют
ΔT(τi)-ΔT(τ0) и τi,
при условии
Kэ= Kи= (ΔT(τi)-ΔT(τ0))/tgφi,
где Ки - расчетная величина для исследуемого вещества;
ΔT(τi) - избыточная температура нити в момент времени τi;
tgφi= (ΔT(τi)-ΔT(τ0))/ln(τi0)
и рассчитывают значение коэффициента температуропроводности исследуемого вещества по зависимости
α1= (ατ)/τi,
где αi и α - коэффициенты соответственно исследуемого и эталонного веществ,
а измерение коэффициента теплопроводности λ проводят, замкнув накоротко вход и выход дополнительной нагревательной нити при значении дополнительного переменного сопротивления в мостовой схеме, равного нулю.
RU98100282A 1998-01-05 1998-01-05 Устройство и способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов RU2139528C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98100282A RU2139528C1 (ru) 1998-01-05 1998-01-05 Устройство и способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98100282A RU2139528C1 (ru) 1998-01-05 1998-01-05 Устройство и способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2139528C1 true RU2139528C1 (ru) 1999-10-10

Family

ID=20201013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98100282A RU2139528C1 (ru) 1998-01-05 1998-01-05 Устройство и способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2139528C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2494383C1 (ru) * 2012-04-06 2013-09-27 Виктор Николаевич Сафонов Способ импульсного теплового экспресс-контроля технологических жидкостей
CN113432827A (zh) * 2020-03-23 2021-09-24 核工业理化工程研究院 一种测量旋转流场气流温度的方法
RU2784681C2 (ru) * 2022-01-26 2022-11-29 Дмитрий Сергеевич Симанков Устройство для измерения теплофизических свойств пластичных материалов

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Лыков А.В. методы определения теплопроводности и температуропроводности. -М.: Энергия, 1973, с.184-165. Глатцмайер и др. Одновременное определение тепло- и температуропроводности методом нестационарного нагрева проволоки. Приборы для научных исследований, 1985, № 7, с.99. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2494383C1 (ru) * 2012-04-06 2013-09-27 Виктор Николаевич Сафонов Способ импульсного теплового экспресс-контроля технологических жидкостей
CN113432827A (zh) * 2020-03-23 2021-09-24 核工业理化工程研究院 一种测量旋转流场气流温度的方法
CN113432827B (zh) * 2020-03-23 2024-05-31 核工业理化工程研究院 一种测量旋转流场气流温度的方法
RU2784681C2 (ru) * 2022-01-26 2022-11-29 Дмитрий Сергеевич Симанков Устройство для измерения теплофизических свойств пластичных материалов
RU2805005C2 (ru) * 2023-03-10 2023-10-10 Дмитрий Сергеевич Симанков Устройство для измерения теплофизических свойств, находящихся в покое и в потоке

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5056047A (en) Method and device for measuring fluidic or calorimetric parameters
US4501145A (en) Immersion thermal exchange parameter determination
US4821568A (en) Method and apparatus for determining a measurable variable
RU2139528C1 (ru) Устройство и способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов
RU2209417C2 (ru) Способ для определения свойств жидкости или газа и устройство для осуществления способа
RU2233440C1 (ru) Способ определения свойств жидкости или газа и устройство для осуществления способа
SU741126A1 (ru) Способ экспрессного измерени теплофизических свойств материалов и устройство дл его осуществлени
RU2010191C1 (ru) Способ определения погрешностей термоэлектрических термометров
RU2796794C1 (ru) Способ измерения теплопроводности жидкостей
JPS5786736A (en) Testing method and device for heat pipe performance
SU949447A1 (ru) Способ измерени теплофизических характеристик и устройство дл его осуществлени
SU901851A1 (ru) Способ определени показател тепловой инерции термопреобразовател
SU1157428A1 (ru) Устройство дл автоматического определени коэффициента теплопроводности жидкостей и газов
Zhang et al. Simultaneous measurement of thermal conductivity and thermal diffusivity of solids by the parallel-wire method
SU1458720A1 (ru) Устройство для измерения температуры
SU1151834A1 (ru) Устройство дл измерени температуры (его варианты)
SU974148A1 (ru) Устройство дл измерени показател тепловой инерции термопреобразовател
KR100356994B1 (ko) 액상 및 기상의 열전도도 측정장치
SU1030670A1 (ru) Способ определени показател тепловой инерции термопреобразовател
SU1420500A1 (ru) Способ кондуктометрического контрол растворов
SU1100550A1 (ru) Устройство дл адиабатического нагрева-охлаждени
SU1394068A1 (ru) Устройство дл измерени показател тепловой инерции термодатчиков
RU2269750C2 (ru) Способ терморезистивного измерения температуры
SU1420498A1 (ru) Теплометрический дефектоскоп
SU756523A1 (ru) Устройство для измерения зависимости сопротивления сверхпроводника от его температуры 1