RU2654826C1 - Device for measuring heat conductivity of solid materials - Google Patents
Device for measuring heat conductivity of solid materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2654826C1 RU2654826C1 RU2017129619A RU2017129619A RU2654826C1 RU 2654826 C1 RU2654826 C1 RU 2654826C1 RU 2017129619 A RU2017129619 A RU 2017129619A RU 2017129619 A RU2017129619 A RU 2017129619A RU 2654826 C1 RU2654826 C1 RU 2654826C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating means
- calorimetric
- cell
- rod
- cells
- Prior art date
Links
- 239000011343 solid material Substances 0.000 title claims abstract description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 29
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 12
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 13
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 210000004907 gland Anatomy 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к устройствам для определения теплопроводности материалов, и может быть применено для определения теплотехнических свойств материалов, например, при проектировании режимов термообработки металлоизделий.The invention relates to thermal tests, and in particular to devices for determining the thermal conductivity of materials, and can be applied to determine the thermal properties of materials, for example, when designing heat treatment modes for metal products.
Известно устройство для определения коэффициента теплопроводности, содержащее линейный импульсный нагреватель, средства измерения температуры и средство управления нагревателем (SU 131119, 1960 [1]). Недостатком является невысокая точность определения искомого параметра.A device for determining the coefficient of thermal conductivity, comprising a linear pulse heater, means for measuring temperature and means for controlling the heater (SU 131119, 1960 [1]). The disadvantage is the low accuracy of determining the desired parameter.
Известен дифференциальный калориметр, в котором с целью повышения чувствительности между двумя ячейками установлена дифференциальная батарея, которая подает сигнал на реле, включающее или выключающее цепь подогрева, при этом количество включений фиксируется счетным устройством. Это позволяет относительно точно определять мощность, подводимую в компенсационную ячейку за время включения нагревателя (SU 154691, G01K, 1963 [2]). Однако известное устройство не обеспечивает высокой точности определения подводимой мощности к нагревателю, а следовательно, и определения искомого параметра. Даже применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности. Поэтому просто измерений времен включений при известном напряжения питания для точных измерений недостаточно.A differential calorimeter is known in which, in order to increase the sensitivity, a differential battery is installed between the two cells, which sends a signal to a relay that turns the heating circuit on or off, and the number of starts is recorded by a counting device. This allows you to relatively accurately determine the power supplied to the compensation cell during the time the heater is turned on (SU 154691, G01K, 1963 [2]). However, the known device does not provide high accuracy in determining the input power to the heater, and therefore, in determining the desired parameter. Even the use of standard sources of current or voltage does not provide the necessary accuracy of stabilization and power measurements. Therefore, simply measuring the switching times at a known supply voltage is not enough for accurate measurements.
Известно устройство для определения теплопроводности материалов, содержащее изотермический зонд, в котором размещен нагревательный элемент, к которому подключен регулятор-измеритель температуры. Устройство снабжено счетчиком контроля выделенной зондом энергии и счетчиком времени рассеивания энергии (SU 1755151, G0N 25/18, 1992 [3]). Для определения теплопроводности по расчетной формуле учитывают такие показатели параметров устройства как напряжение и сила тока нагревательного элемента, показатели счетчика рассевания энергии, перепад температур, геометрические размеры зонда. Как видно, при определении искомого параметра используют измеренные напряжение и силу тока нагревательного элемента. Это позволяет определить выделенную на нагревателе тепловую мощность. Однако такие измерения не обеспечивают высокую точность определения теплопроводности. Применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности. В самом деле, на результат влияет изменение внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагревателя, поэтому просто измерений тока в нагрузке и напряжения для точных измерений недостаточно.A device for determining the thermal conductivity of materials is known, containing an isothermal probe in which a heating element is placed, to which a temperature controller is connected. The device is equipped with a counter for monitoring the energy released by the probe and a counter for energy dissipation (SU 1755151, G0N 25/18, 1992 [3]). To determine thermal conductivity by the calculation formula, such parameters of the device parameters as voltage and current strength of the heating element, indicators of the energy dissipation counter, temperature difference, and geometric dimensions of the probe are taken into account. As can be seen, when determining the desired parameter, the measured voltage and current strength of the heating element are used. This allows you to determine the heat output allocated to the heater. However, such measurements do not provide high accuracy in determining thermal conductivity. The use of standard current or voltage sources does not provide the necessary accuracy of stabilization and power measurements. In fact, the result is affected by a change in the internal resistance of the source and the resistance of the heater, so just measuring the current in the load and voltage for accurate measurements is not enough.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известное устройство для определения коэффициента теплопроводности, которое может быть использовано при изучении влияния химического состава, структуры и режима термообработки на свойства материалов. Устройство содержит нагреватель с размещаемым в нем образцом в виде стержня, средства измерения температуры на концевых частях стержня и схему регулирования мощности нагревателя (SU 765712, G0N 25/18, 1980 [4]).Closest to the claimed in its technical essence is a known device for determining the coefficient of thermal conductivity, which can be used to study the influence of chemical composition, structure and heat treatment on the properties of materials. The device comprises a heater with a sample in the form of a rod, means for measuring temperature at the end parts of the rod, and a heater power control circuit (SU 765712, G0N 25/18, 1980 [4]).
Недостатком является невысокая точность определения искомого параметра. Это обусловлено отсутствием в первую очередь средств измерения подводимой мощности к нагревателю, а следовательно, и определения искомого параметра.The disadvantage is the low accuracy of determining the desired parameter. This is due to the lack of first of all means of measuring the input power to the heater, and, consequently, the determination of the desired parameter.
Заявляемое устройство для измерения теплопроводности твердых материалов направлено на повышение точности измерения искомого параметра.The inventive device for measuring the thermal conductivity of solid materials is aimed at improving the accuracy of measurement of the desired parameter.
Указанный результат достигается тем, что устройство для измерения теплопроводности твердых материалов содержит средство нагрева с размещаемым в нем образцом в виде стержня, средства измерения температуры концевых частей стержня и блок регулирования мощности средства нагрева. При этом средство нагрева выполнено виде двух охватывающих концы стержня калориметрических ячеек с одинаковыми электрическими нагревателями, а блок регулирования мощности средства нагрева в виде компьютера, при этом блок питания средств нагрева выполнен в виде подключенной к электросети через выпрямитель емкости, к которой через управляемое компьютером реле параллельно соединена снабженная измерителем напряжения вторая емкость, через управляемые компьютером реле соединенная с нагревателями обеих калориметрических ячеек.This result is achieved in that the device for measuring the thermal conductivity of solid materials contains heating means with a sample placed in it in the form of a rod, means for measuring the temperature of the end parts of the rod and a power control unit for the heating means. In this case, the heating means is made in the form of two calorimetric cells spanning the ends of the rod with the same electric heaters, and the heating means power control unit is in the form of a computer, while the heating means power unit is made in the form of a capacitance connected to the power supply via a rectifier, to which through a computer-controlled relay in parallel a second capacitance equipped with a voltage meter is connected, through a computer-controlled relay connected to the heaters of both calorimetric cells.
Указанный результат достигается также тем, что калориметрические ячейки размещены в корпусе, заполненном теплоизолирующим материалом.The indicated result is also achieved by the fact that the calorimetric cells are placed in a housing filled with heat-insulating material.
Указанный результат достигается также тем, что каждая калориметрическая ячейка снабжена индивидуальным теплоотводом.The indicated result is also achieved by the fact that each calorimetric cell is equipped with an individual heat sink.
Указанный результат достигается также тем, что теплоотводы калориметрических ячеек выполнены в виде стержней, соединяющих рубашки ячеек с боковыми стенками корпуса.The specified result is also achieved by the fact that the heat sinks of the calorimetric cells are made in the form of rods connecting the cell shirts with the side walls of the housing.
Указанный результат достигается также тем, что каждая калориметрическая ячейка выполнена в виде керамического стакана с намотанным на нее электронагревателем, охваченным керамическим чехлом и размещенным в металлической рубашке, в теле которой установлена термопара.The indicated result is also achieved by the fact that each calorimetric cell is made in the form of a ceramic cup with an electric heater wound around it, covered by a ceramic case and placed in a metal jacket, in the body of which a thermocouple is installed.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:Distinctive features of the claimed device are:
- средство нагрева выполнено в виде двух охватывающих концы стержня калориметрических ячеек с одинаковыми электрическими нагревателями;- heating means is made in the form of two calorimetric cells spanning the ends of the rod with the same electric heaters;
- блок регулирования мощности средства нагрева выполнен в виде компьютера, а блок питания средств нагрева выполнен в виде подключенной к электросети через выпрямитель емкости, к которой через управляемое компьютером реле параллельно соединена снабженная измерителем напряжения вторая емкость, через управляемые компьютером реле соединенная с нагревателями обеих калориметрических ячеек;- the power control unit of the heating means is made in the form of a computer, and the heating means power supply unit is made in the form of a capacitance connected to the power supply through a rectifier, to which a second capacitance equipped with a voltage meter is connected in parallel through a computer-controlled relay, connected to heaters of both calorimetric cells through a computer-controlled relay ;
- калориметрические ячейки размещены в корпусе, заполненным теплоизолирующим материалом;- calorimetric cells are placed in a housing filled with insulating material;
- каждая калориметрическая ячейка снабжена индивидуальным теплоотводом;- each calorimetric cell is equipped with an individual heat sink;
- теплоотводы калориметрических ячеек выполнены в виде стержней, соединяющих рубашки ячеек с боковыми стенками корпуса;- heat sinks of calorimetric cells are made in the form of rods connecting the cell shirts with the side walls of the housing;
- каждая калориметрическая ячейка выполнена в виде керамического стакана с намотанным на нее электронагревателем, охваченным керамическим чехлом и размещенным в металлической рубашке, в теле которой установлена термопара.- each calorimetric cell is made in the form of a ceramic cup with an electric heater wound around it, covered by a ceramic case and placed in a metal jacket, in the body of which a thermocouple is installed.
Выполнение средства нагрева виде двух охватывающих концы стержня калориметрических ячеек с одинаковыми электрическими нагревателями позволяет задавать мало различающиеся температуры ячеек, что обеспечивает повышение точности измерения. Записав уравнение теплового баланса для каждой ячейки дифференциального калориметра, получаем систему уравненийThe implementation of the heating means in the form of two calorimetric cells covering the ends of the rod with the same electric heaters allows you to set slightly different cell temperatures, which improves the measurement accuracy. Having written the heat balance equation for each cell of the differential calorimeter, we obtain a system of equations
Здесь индекс 1 относится к первой ячейке, индекс 2 - ко второй.Here
Q1i и Q2j - тепловые потоки каждой из двух ячеек дифференциального калориметраQ 1i and Q 2j are the heat fluxes of each of the two cells of the differential calorimeter
Учитывая потери через теплоизоляцию, получим уравненияGiven the loss through thermal insulation, we obtain the equation
где Wi - мощности нагревателей ячеек, w1п(T) и w2п(T) - мощности тепловых потерь ячеек, Ti - их температура, х - расстояние теплопередачи, λ(Т) - коэффициент теплопроводности, S - сечение образца.where W i are the powers of the cell heaters, w 1п (T) and w 2п (T) are the heat loss powers of the cells, T i is their temperature, x is the heat transfer distance, λ (T) is the heat conductivity coefficient, S is the sample cross section.
Очевидно, что измерения приемлемой точности можно получить тогда, когда слагаемые в уравнениях близки. Однако регулирование тепловой мощности на уровне тепловых потерь затруднительно, да и величина тепловых потерь в значительной степени носит случайный характер. При этом будем считать, что тепловые потери, включая паразитный теплообмен ячеек между собой, малы по сравнению с остальными тепловыми потоками и мощностями нагревателя. Отсюда следует, что измерения будут корректны при мало различающихся температурах ячеек, тогда для построения зависимости λ(Т) можно брать среднюю температуру ячеек.Obviously, measurements of acceptable accuracy can be obtained when the terms in the equations are close. However, the regulation of heat power at the level of heat loss is difficult, and the magnitude of the heat loss is largely random. At the same time, we assume that heat losses, including spurious heat transfer of cells between each other, are small compared with other heat fluxes and heater capacities. It follows that the measurements will be correct at slightly different cell temperatures; then, to construct the λ (T) dependence, we can take the average cell temperature.
Снабжение устройства блоком регулирования мощности средства нагрева в виде компьютера и блоком питания средств нагрева в виде подключенной к электросети через выпрямитель емкости, к которой через управляемое компьютером реле параллельно соединена снабженная измерителем напряжения вторая емкость, через управляемые компьютером реле соединенная с нагревателями обеих калориметрических ячеек, позволяет точно определить подаваемую на каждую ячейку энергию и мощность, а следовательно, и искомый параметр. Обеспечивается это тем, что предлагаемый блок питания позволяет осуществление питания нагревателей обоих ячеек периодическим разрядом на них подключенного общего конденсатора, регулируя подачу на нагреватели различных величин энергии, определяемых по числу импульсов питания и по измерению напряжения конденсатора перед каждым импульсом, и регулируя выделяемую на нагревателях мощность путем изменения количества импульсов в единицу времени. Это и позволяет существенно повысить точность измерения теплопроводности образца. Для ее достижения необходимо иметь источник питания, обеспечивающий не только высокую стабильность мощности на нагревателях, но и знание ее величины. Применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности. В самом деле, на результат влияет изменение внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагревателя, поэтому просто измерений тока в нагрузке и напряжения для точных измерений недостаточно. Особенности работы источника питания по предлагаемому алгоритму позволяет обеспечить преимущества за счет следующих факторов:Providing the device with a power control unit for the heating means in the form of a computer and a power supply for the heating means in the form of a capacitance connected to the power supply through a rectifier, to which a second capacitance equipped with a voltage meter is connected in parallel through a computer-controlled relay and connected to heaters of both calorimetric cells through a computer-controlled relay precisely determine the energy and power supplied to each cell, and therefore the desired parameter. This is ensured by the fact that the proposed power unit allows the supply of heaters of both cells by periodically discharging a connected common capacitor to them, regulating the supply of different energy values to the heaters, determined by the number of power pulses and by measuring the capacitor voltage before each pulse, and by adjusting the power allocated to the heaters by changing the number of pulses per unit time. This allows us to significantly increase the accuracy of measuring the thermal conductivity of the sample. To achieve it, you must have a power source that provides not only high stability of power on the heaters, but also knowledge of its magnitude. The use of standard current or voltage sources does not provide the necessary accuracy of stabilization and power measurements. In fact, the result is affected by a change in the internal resistance of the source and the resistance of the heater, so just measuring the current in the load and voltage for accurate measurements is not enough. Features of the power supply according to the proposed algorithm can provide benefits due to the following factors:
- энергия отдельного импульса, питающего нагреватель калориметрической ячейки, может быть с высокой точностью определена по формуле Е=C2U2/2, где U - напряжение, считанное измерителем V1 (см. схему источника питания). Эта энергия не зависит от величины сопротивления нагрузки, если время разряда емкости на нагрузку достаточно велико;- the energy of a single pulse, the feed heater of the calorimeter cell can be accurately determined by the formula E = C 2 U 2/2 where U - voltage read meter V 1 (see the power supply circuit.). This energy does not depend on the value of the load resistance if the discharge time of the capacitance to the load is sufficiently large;
- для подачи на ячейку калориметра заданной величины энергии необходимо подать на нее нужное число импульсов питания, просуммировав их энергии до достижения заданного значения;- in order to supply a predetermined amount of energy to a calorimeter cell, it is necessary to apply the necessary number of power pulses to it, summing their energies until a preset value is reached;
- для подачи на ячейку заданной мощности необходимо подать в единицу времени некоторое количество импульсов, контролируя их суммарную энергию и корректируя при необходимости их количество.- to supply a given power to a cell, it is necessary to apply a certain number of pulses per unit time, controlling their total energy and adjusting their number if necessary.
Описываемый алгоритм работы легко реализуется с помощью компьютера, используемого для управления блоком питания.The described operation algorithm is easily implemented using a computer used to control the power supply.
Калориметрические ячейки целесообразно размещать в корпусе, заполненном теплоизолирующим материалом для того, чтобы снизить тепловые потери, включая паразитный теплообмен ячеек между собой и, следовательно, погрешность измерения.It is advisable to place the calorimetric cells in a housing filled with heat insulating material in order to reduce heat loss, including spurious heat transfer of cells between themselves and, therefore, the measurement error.
Снабжение каждой калориметрической ячейки индивидуальным теплоотводом для повышения точности измерений. Действительно, регулирование тепловой мощности на уровне тепловых потерь затруднительно, да и величина тепловых потерь в значительной степени носит случайный характер. Дополнительный теплоотвод от каждой ячейки на массивный корпус устройства позволяет решить эту проблему. Наиболее целесообразно выполнить теплоотводы калориметрических ячеек в виде стержней, соединяющих рубашки ячейки с боковой стенкой корпуса.Supply of each calorimetric cell with an individual heat sink to increase measurement accuracy. Indeed, the regulation of heat power at the level of heat loss is difficult, and the magnitude of the heat loss is largely random. An additional heat sink from each cell to the massive casing of the device allows solving this problem. It is most expedient to carry out heat sinks of calorimetric cells in the form of rods connecting the cell shirts with the side wall of the housing.
Оптимальной представляется конструкция, когда каждая калориметрическая ячейка выполнена в виде керамического стакана с намотанным на нее электронагревателем, охваченным керамическим чехлом и размещенным в металлической рубашке, в теле которой установлена термопара. Наличие металлической рубашки обеспечивает выравнивание температуры внутри ячеек.The design seems optimal when each calorimetric cell is made in the form of a ceramic cup with an electric heater wound around it, covered by a ceramic cover and placed in a metal jacket, in the body of which a thermocouple is installed. The presence of a metal jacket ensures equalization of temperature inside the cells.
Сущность заявляемого устройства поясняется примером реализации и чертежами. На фиг. 1 представлено упрощенное изображение устройства. На фиг. 2 представлена упрощенная схема импульсной системы питания нагревателей ячеек. На фиг. 3 представлена в разрезе конструкция отдельных ячеек.The essence of the claimed device is illustrated by an example implementation and drawings. In FIG. 1 is a simplified view of a device. In FIG. 2 shows a simplified diagram of a pulsed power system for cell heaters. In FIG. 3 shows a sectional view of the design of individual cells.
Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов содержит корпус 1, теплоизоляционный материал 2, калориметрические ячейки 3, образец 4, стержни тепловых мостов (теплоотводы) 5, выводы нагревателей и термопар 6, контакты для подключения системы измерений и блока питания нагревателей 7, боковые стенки 8 корпуса 1. Устройство содержит импульсный блок питания с компьютерным управлением, схема которого представлена на фиг. 2. Блок содержит емкость C1, которая через выпрямитель, трансформатор и ограничивающий ток резистор R1 заряжается от сети. От этой емкости, являющейся буферным накопителем энергии, через сопротивление R2 и нормально-замкнутый контакт реле k1 заряжается рабочая емкость С2. RH1 и RH2 - сопротивления нагревателей, управляемые реле k1, k2 и k3.A device for measuring the thermal conductivity of solid materials contains a
Калориметрическая ячейка содержит керамический стакан 9, на котором размещена обмотка нагревателя 10, охваченная керамическим чехлом 11. Указанная сборка установлена внутри металлической рубашки для выравнивания температуры 12, в теле которой установлена термопара 13.The calorimetric cell contains a
Устройство используется следующим образом. Образец 4 для измерений выполняется в виде стержня постоянного сечения. Длина и диаметр стержня должны быть такими, чтобы он максимально заполнял объем стакана 9 калориметрической ячейки 3. Это уменьшает тепловое сопротивление между ячейкой и образцом и, следовательно, погрешность измерения.The device is used as follows.
В качестве керамических элементов 9 и 11 ячейки 3 можно использовать тонкостенные трубки из корундовой керамики, спираль 10 нагревателя - нихром или фехраль, рубашки 12 ячеек для выравнивания температуры должны быть изготовлены из жаростойкого материала с достаточной теплопроводностью (один из наилучших вариантов - эльконайт, однако возможно применение жаростойких или нержавеющих сталей). В качестве теплоизоляционных материалов 2 можно применять современные мягкие материалы на основе окиси алюминия. Использование таких материалов позволяет проводить измерения от комнатной температуры до 1300°C, что перекрывает диапазон температур термообработки сталей, сплавов меди, алюминия, титана.As
Помещают образец 4 в ячейки 3, подают на нагреватели ячеек 10 мощности, обеспечивающие незначительные различия температуры ячеек. Емкость C1 через выпрямитель, трансформатор и ограничивающий ток резистор R1 заряжается от сети. От этой емкости, являющейся буферным накопителем энергии, через сопротивление R2 и нормально-замкнутый контакт реле k1 заряжается рабочая емкость.The
Для подачи импульса энергии в нагрузку (RH1 или RH2) контакты реле k1 размыкают, производят отсчет напряжения на конденсаторе С2 с помощью измерителя V1, а затем замыкают контакты реле k2 или k3 в зависимости от того, в какую ячейку калориметра необходимо подать импульс. После полной разрядки конденсатора С2 схему возвращают в исходное состояние, что приводит к повторной зарядке емкости С2. Емкость C1 дозаряжается непрерывно по мере отбора от нее энергии на перезарядку С2.To supply an energy pulse to the load (R H1 or R H2 ), the contacts of the relay k 1 are opened, the voltage across the capacitor C 2 is counted using a meter V 1 , and then the contacts of the relay k 2 or k 3 are closed, depending on which cell the calorimeter needs to give a boost. After the capacitor C 2 is completely discharged, the circuit is returned to its original state, which leads to recharging of the capacitor C 2 . Capacity C 1 is recharged continuously as energy is taken from it to recharge C 2 .
После достижения стационарных условий (не изменяющиеся в течение некоторого времени температуры) производят отсчет значений мощности, температур и вычисляют коэффициент теплопроводности.After reaching stationary conditions (temperatures that have not changed for some time), the values of power, temperatures are counted and the thermal conductivity coefficient is calculated.
Повторяют процедуру с повышением мощностей и температур, пока не будет получена зависимость во всем необходимом диапазоне температур. При необходимости повторяют измерения, двигаясь со снижением мощностей от максимальной температуры до минимальной.Repeat the procedure with an increase in power and temperature until a dependence is obtained in the entire required temperature range. If necessary, repeat the measurements, moving with a decrease in power from maximum temperature to minimum.
Установка, реализованная в соответствии с заявляемым изобретением, имела следующие характеристики. Размеры внутреннего стакана ячейки - 8×40 мм, обмотка нагревателя изготовлена из нихрома и имеет сопротивление 4.5 Ом, рубашка ячейки изготовлена из нержавеющей стали и имеет толщину стенки 15 мм. Каждый из тепловых мостиков (теплоотводов) представляет собой 12 стержней из нержавеющей стали диаметром 2 мм. Каждый стержень размещен в пазу рубашки ячейки и приварен к ней в трех местах. Противоположные концы стержней приварены к боковой стенке корпуса устройства, имеющей толщину 10 мм и оребрение с наружной стороны. Расстояние от торца ячейки до стенки корпуса 20 мм, расстояние между торцами ячеек 40 мм.The installation, implemented in accordance with the claimed invention, had the following characteristics. The dimensions of the inner glass of the cell are 8 × 40 mm, the heater winding is made of nichrome and has a resistance of 4.5 Ohms, the cell jacket is made of stainless steel and has a wall thickness of 15 mm. Each of the thermal bridges (heat sinks) is 12 rods of stainless steel with a diameter of 2 mm. Each rod is placed in the groove of the shirt of the cell and is welded to it in three places. The opposite ends of the rods are welded to the side wall of the device body having a thickness of 10 mm and ribbing from the outside. The distance from the end of the cell to the wall of the housing is 20 mm, the distance between the ends of the cells is 40 mm.
Корпус герметичен, допускает вакууммирование и заполнение защитным газом. Все проводные соединения выполнены с помощью гермовводов.The housing is sealed, allows vacuum and filling with protective gas. All wired connections are made using pressure glands.
Для устройства был создан блок питания, в котором использовались быстродействующие электронные реле, управляемые импульсами от контроллера комплекса. В качестве измерителя напряжения использовался АЦП контроллера, необходимая временная последовательность управляющих импульсов формировалась программно. Система питания установки имеет на входе разделительный трансформатор 220/220 В, 400 Вт. Все резисторы проволочные, имеют сопротивление 4.5 Ом. Конденсатор C1 электролитический, 1000 мф, 450 В, С2 - пусковой, 25 мф, 450 В. В блоке питания используется быстродействующие электронные реле 5П40.10ПА1-75-4-Д68, управляемые от контроллера через оптронную развязку.A power supply unit was created for the device, in which high-speed electronic relays were used, controlled by pulses from the complex controller. The ADC of the controller was used as a voltage meter; the necessary time sequence of control pulses was generated in software. The power supply system of the installation has an
Для экспериментов использован образец из стали 65Г диаметром 4 мм, длиной 120 мм. При температурах ячеек 610°C и 639°C мощность нагревателей в стационарных условиях составила 19.0 и 22.4 Вт, что позволяет определить, что теплопроводность материала образца составляет при температуре 620°C величину 49 Вт/м/град.For the experiments, a sample of steel 65G with a diameter of 4 mm and a length of 120 mm was used. At cell temperatures of 610 ° C and 639 ° C, the power of the heaters under stationary conditions was 19.0 and 22.4 W, which allows us to determine that the thermal conductivity of the sample material is 49 W / m / deg at a temperature of 620 ° C.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129619A RU2654826C1 (en) | 2017-08-22 | 2017-08-22 | Device for measuring heat conductivity of solid materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129619A RU2654826C1 (en) | 2017-08-22 | 2017-08-22 | Device for measuring heat conductivity of solid materials |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2654826C1 true RU2654826C1 (en) | 2018-05-22 |
Family
ID=62202640
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017129619A RU2654826C1 (en) | 2017-08-22 | 2017-08-22 | Device for measuring heat conductivity of solid materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2654826C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU154691A1 (en) * | ||||
| SU765712A1 (en) * | 1978-11-15 | 1980-09-23 | Ленинградский технологический институт холодильной промышленности | Device for measuring thermal conductivity coefficient of electroconductive materials |
| SU1755151A1 (en) * | 1990-04-27 | 1992-08-15 | Сибирский зональный научно-исследовательский и проектный институт типового и экспериментального проектирования жилых и общественных зданий | Thermal conductivity tester |
| EP1136803A1 (en) * | 2000-03-23 | 2001-09-26 | TA Instruments, Inc. | Power compensation differential scanning calorimeter |
| US20080071494A1 (en) * | 2006-09-14 | 2008-03-20 | Michael Reading | Modulated differential scanning calorimeter solvent loss calibration apparatus and method |
-
2017
- 2017-08-22 RU RU2017129619A patent/RU2654826C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU154691A1 (en) * | ||||
| SU765712A1 (en) * | 1978-11-15 | 1980-09-23 | Ленинградский технологический институт холодильной промышленности | Device for measuring thermal conductivity coefficient of electroconductive materials |
| SU1755151A1 (en) * | 1990-04-27 | 1992-08-15 | Сибирский зональный научно-исследовательский и проектный институт типового и экспериментального проектирования жилых и общественных зданий | Thermal conductivity tester |
| EP1136803A1 (en) * | 2000-03-23 | 2001-09-26 | TA Instruments, Inc. | Power compensation differential scanning calorimeter |
| US6561692B2 (en) * | 2000-03-23 | 2003-05-13 | Ta Instruments-Waters Llc | Differential scanning calorimeter |
| US20080071494A1 (en) * | 2006-09-14 | 2008-03-20 | Michael Reading | Modulated differential scanning calorimeter solvent loss calibration apparatus and method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sakurai et al. | Transient pool boiling heat transfer—Part 1: Incipient boiling superheat | |
| Furukawa et al. | Thermal properties of aluminum oxide from 0 to 1200 K | |
| JP3992754B2 (en) | Heating vessel and method for controlling the heating element of such a vessel | |
| Douglas | High-temperature drop calorimetry | |
| US3813937A (en) | Heat flow calorimeter | |
| RU2654823C1 (en) | Method of measuring thermal conductivity of solid materials | |
| Wilkins et al. | Multijunction thermal convertor. An accurate dc/ac transfer instrument | |
| RU2654826C1 (en) | Device for measuring heat conductivity of solid materials | |
| UA96386C2 (en) | Electrical heating element | |
| RU2655459C1 (en) | Method of measuring heat capacity of materials | |
| JPH03225268A (en) | Direct heating type calorimetric instrument | |
| US3022664A (en) | Differential calorimeter | |
| Schubert et al. | First steps to develop a sensor for a Tian–Calvet calorimeter with increased sensitivity | |
| RU2654824C1 (en) | Device for measuring heat capacity of materials | |
| RU2732341C1 (en) | Method for test of thermocouple and its thermoelectric capacity value without dismantling | |
| EP0733909B1 (en) | Method and apparatus for local temperature sensing for use in performing high resolution in-situ measurement | |
| US2680224A (en) | Standard sources of electromotive force | |
| RU2736322C2 (en) | Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof | |
| JP2644887B2 (en) | Adiabatic calorimeter | |
| RU2727342C1 (en) | Adiabatic calorimeter | |
| Moon et al. | Rate‐scanning modified adiabatic calorimeter | |
| SU363874A1 (en) | DEVICE FOR MEASURING NONSTATIONARY | |
| RU72072U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THICKNESS THICKNESS ON THE SURFACE OF PIPELINES | |
| Gr0nvold | Adiabatic calorimetry for the investigation of reactive substances in the range from 25 to 775 OC: Heat capacity of a-aluminium oxide | |
| RU39403U1 (en) | HYDRAULIC CONDUCTOMETRIC |