SU1741036A1 - Устройство дл определени теплопроводности материалов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике тепло- физических измерений и может быть использовано при исследовании фазовых переходов и других тепловых процессов. Цель изобретени  - повышение точности измерений за счет увеличени  точности задани  температурного режима. В устройстве использован метод стационарного теплового потока дл  измерени  теплопроводности и обеспечиваетс  поддержание заданного, достаточно малого, градиента температур на торцах исследуемого образца . При этом теплопроводность оказываетс  пропорциональной мощности выдел емой в нагревателе, котора  определ етс  при помощи функционального преобразовател  и регистрируетс  в цифровом виде. 1 ил. СО с

Description

Изобретение относитс  к технике тепло- физических измерений, а именно к устройствам дл  определени  теплопроводности материалов, и может быть использовано при исследовании фазных переходов и других процессов, происход щих и узких температурных интервалах.

Известно устройство дл  определени  теплопроводности материалов, работающее в режиме стационарного теплового потока . Посто нный тепловой поток Р пропускаетс  через однородный образец с известной площадью поперечного сечени  S. Термопары закреплены в двух местах вдоль образца на рассто нии d друг от друга . Коэффициент теплопроводности определ ют из соотношени 

Л г- А -г

При этом коэффициент теплопроводности приписываетс  среднему значению температуры между термопарами.

Недостатком данного устройства  вл етс  сложность создани  одновременного теплового потока тепла, а также неопределенность температуры, к которой относитс  измерение.

Известно также устройство дл  определени  теплопроводности в широком диапазоне температур, состо щее из двух термостатируемых блоков, между которыми размещаютс  два исследуемых образца, разделенные плоским центральным нагревателем , в центре которого расположен гор чий спай дифференциальной термопары. Холодный спай термопары находитс  в термостате . Дл  получени  значени  коэффициент теплопроводности в образце

VJ

О

СА

О

создаетс  перепад температур 1,5-2,5°С путем подачи некоторой заданной мощности Q в центральный нагреватель. Коэффициент теплопроводности рассчитываетс  по формуле

J5 Qh

2S

А

где Q - мощность, выдел ема  в нагревателе;

Si и $2 - сечени  исследуемых образцов;

hi и h2 - толщины исследуемых образцов;

ATi и ДТ2 - перепад температуры на образцах.

В случае одинаковых образцов Si , , AT 1 AT 2 AT и одинаковый тепловой поток распростран етс  через каждый исследуемый образец.

Недостатком данного устройства  вл етс  неопределенность температуры, которой соответствует измеренный коэффициент теплопроводности , возникающа  вследствие того , что при подводе одной и той же мощности к нагревателю при изменении на образцах со значительно отличающейс  теплопроводностью получают во столько же раз отличающийс  градиент температуры АТна исследуемом образце. Особенно недопустимо это при изучении фазовых переходов, происход щих в очень узких температурных интервалах, когда наблюдаетс  резка  зависимость теплофизических свойств от температуры .

Кроме того, необходимо каждый раз производит расчет теплопроводности по формуле, что требует дополнительного времени .

Наиболее близким к предложенному по технической сущности  вл етс  устройство дл  измерени  теплопроводности материалов , содержащее термостат с наход щимис  внутри него измер емыми образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель, размещенный между образцами , дифференциально включенную термопару, диод, дифференциальный усилитель , регистратор, усилитель, источник опорного напр жени , усилитель с цифровой установкой коэффициента усилени , цифровой блок установки и общую шину.

Недостатком данного устройства  вл етс  невысока  точность измерений.

Цель изобретени  - повышение точности измерений за счет увеличени  точности задани  температуры.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее термостат с наход щимис  внутри него измерительными образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель размещенный между образцами, дифференциально включенную термопару, диод, дифференциальный усилитель, регистратор, усилитель, общую шину и источник опорного напр жени , подключенный выходом к первому входу дифференциального усилител , второй

вход которого соединен с одним выводом дифференциально включенной термопары, подсоединенной другим выводом к общей шине, усилитель подключен выходом к аноду диода, катод которого соединен с одним

выводом плоского центрального нагревател , другой вывод которого подключен к общей шине, введены интегратор и функциональный преобразователь, подключенный первым входом к выходу источника

опорного напр жени , вторым входом - к катоду диода и выходом - к входу регистратора , а интегратор подсоединен входом к выходу дифференциального усилител  и выходом к входу усилител .

На чертеже представлена функциональна  схема устройства дл  определени  теплопроводности материалов.

Устройство содержит термостат, состо щий из двух идентичных блоков 1 и 2, внутри которого размещены два измер емых образца 3 и 4 цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель 5, дифференциально включенную термопару 6, дифференциальный усилитель 7, источник 8

опорного напр жени , интегратор 9, усилитель 10, диод 11, функциональный преобразователь 12, регистратор 13 и общую шину 14.

Измер емые образцы 3 и 4 размещены

соосно, их наружные торцы приведены в тепловой контакт с термостатом, а боковые их поверхности теплоизолированы.

Источник 8 подключен выходом к первым входам функционального преобразовател  12 и дифференциального усилител  7, подсоединенного вторым входом к одному выводу дифференциально включенной термопары 6, другой вывод которой соединен с общей шиной 14. Выход дифференциального усилител  7 подсоединен через последовательно соединенные интегратор 9 и усилитель 10 к аноду диода 11, катод которого соединен с одним выводом плоского центрального нагревател  5, подключенного другим выводом к общей шине 14. Катод диода 11 соединен с вторым входом функционального преобразовател  12, выход которого подключен к входу регистратора 13.

Устройство дл  определени  теплопроводности материалов работает следующим образом.

В начальный момент времени температура измер емых образцов 3 и 4 и термоста- та одинакова во всех точках, поэтому после включени  питани  сигнал, поступающий с дифференциальной термопары 6 на второй (инвертирующий) вход дифференциального усилител  7, равен нулю. На первый (неин- вертирующий) вход дифференциального усилител  7 поступает напр жение с выхода источника 8 опорного напр жени , выбираемое равным тому напр жению дифференциальной термопары 6, которое соответствует нужному градиенту температуры на образцах 3 и 4. Напр жение с выхода дифференциального усилител  7 через интегратор 9, усилитель 10 и диод 11 поступает на плоский центральный нагреватель 5. В результате выделени  тепловой мощности нагревателем 5 температура в измер емых образцах 3 и 4 начинает увеличиватьс . Это приводит к увеличению сигнала, поступающего с дифференциальной термопары 6 на первый (неинвертирующий) вход дифференциального усилител  7, что, в свою очередь , приводит к уменьшению напр жени  на выходе дифференциального усилител  7, интегратора 9, усилител  10 мощности и в конечном итоге приводит к уменьшению напр жени , поступающего на плоский центральный нагреватель 5.

Таким образом устройство работает как стабилизатор температуры в месте рас- положени  гор чего сло  дифференциально включенной термопары 6 (т.е. между измер емыми образцами 3 и 4). При этом разница между напр жени ми на выходах дифференциально включенной термопары 6 и источника 8 опорного капр жени  будет тем меньше, чем больше суммарный коэффициент усилени  дифференциального усилител  7, интегратора 9 и усилител  10. Интегратор 9 используетс  с целью предотв- ращени  автоколебаний, а диод 11 исключает саморазогрев устройства отрицательным напр жением на выходе усилител  10 при по влении на выходе дифференциально включенной термопары 6 напр жени  боль- шего, чем выходной сигнал источника 8 опор- ного напр жени . При установлении стационарного режима на второй вход функционального преобразовател  12 поступает напр жение Ui, квадрат которогб пропорци- онален мощности Q, выдел емой плоским

центральным нагревателем 5, т.е. Q

UJL R

где R - сопротивление плоского центрального нагревател  5. На первый вход Y функционального преобразовател  12 поступает напр жение U0, которое св зано с градиентом температуры А Т, измер емым дифференциально включенной термопарой б, формулой Uo a AT, где а - коэффициент термоЭДС термопары 6, на выходе Z функционального преобразовател  12 напр жение IJ2 равно KU2i/Uo, где k - регулируемый коэффициент, определ емый параметрами функционального преобразовател  12. Если коэффициент k установить равным d a /SR, где d - толщина цилиндрического образца 3, a S - площадь основани , то напр жение на выходе Z функционального преобразовател  12 будет равно

и М UT - Q. -1

Uz SR U0 где А- коэффициент теплопроводности образца .

Таким образом, регистратор (цифровой вольтметр), подключенный к выходу функционального преобразовател  12 будет измер ть непосредственно коэффициент теплопроводности исследуемых образцов 3 и 4. При этом градиент температур А Т будет поддерживатьс  одинаковым дл  всех образцов независимо от их коэффициента теплопроводности.

Использование изобретени  позвол ет повысить точность измерений теплопроводности материалов и представл ть результат измерений в цифровом виде непосредственно на регистраторе (цифровом вольтметре ) без дополнительных вычислений.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  определени  теплопроводности материалов, содержащее термостат с наход щимис  внутри него измер емыми образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель, размещенный между образцами, дифференциально включенную термопару, диод дифференциальный усилитель, усилитель, регистратор, общую шину и источник опорного напр жени , подключенный выходом к первому входу дифференциального усилител , второй вход которого соединен с одним выводом дифференциально включенной термопары, подсоединенной другим выводом к общей шине, усилитель подключен выходом к аноду диода, катод которого соединен с одним выводом плоского центрального нагревател , другой вывод которого подключен к общей шине, о т- личающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерений за счет увеличени  точности задани  температуры, в него введены интегратор и функциональный преобразователь , подключенный первым входом к выходу источника опорного напр жени , вторым входом - к катоду диода и выходом

   - к входу регистратора, а интегратор подсоединен входом к выходу дифференциального усилител  и выходом - к входу усилител .