СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01N25/18 

Описание патента на изобретение RU2024013C1

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, в частности теплопроводности твердых материалов, таких как горные породы и строительные материалы.

Известен способ определения теплопроводности, заключающийся в создании нагревателями тепловых потоков в исследуемом и эталонном образцах и поддержании в них равных температурных перепадов [1].

Недостатком этого способа является необходимость поддержания и измерения перепада температур на образцах, что приводит к сложности реализации этого способа в полевых условиях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения коэффициента теплопроводности, заключающийся в создании нагревателями тепловых потоков в исследуемый и эталонный образцы и поддержании равных температур в зоне контактов нагревателей с образцами путем регулирования мощности нагревателей до установления стационарного режима теплопередачи и определении коэффициента теплопроводности по известной формуле [2].

Основными недостатками известного способа являются его невысокая точность, а также необходимость ручной регулировки мощности нагревателей, что значительно увеличивает время измерений.

Известно устройство для измерения теплопроводности твердых образцов, содержащее эталон, нагреватели образца и эталона, теплоприемник, тепломеры. При измерениях на противоположных поверхностях эталона и образца, имеющих одинаковую высоту, создают равные перепады температур, тогда плотности установившихся тепловых потоков через эталон и образец пропорциональны их коэффициентам теплопроводности [3].

Недостатком устройства является необходимость поддержания и измерения перепада температур на образцах, что приводит к сложности реализации исследований в полевых условиях.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее два коаксиально размещенных нагревателя, тепломер, эталон [4].

Недостатками устройства являются невысокая точность измерений, а также необходимость ручной регулировки мощности нагревателей и расчета коэффициента теплопроводности по формуле, что значительно увеличивает время измерений.

Изобретение направлено на решение задачи по повышению точности измерений теплопроводности и сокращение времени измерений.

Это достигается тем, что по способу определения теплопроводности твердых материалов, заключающемуся в создании нагревателями тепловых потоков в исследуемый и эталонный образцы, поддержание равных температур на нагревателях и определении величины коэффициента теплопроводности по известной формуле, поддерживают постоянным ток на нагревателях эталона, определяют знак сигнала в измерительной диагонали моста, в плечи которого включены датчики температуры нагревателей, а также факт превышения сигналом пороговой величины, которая равна напряжению в измерительной диагонали моста на пределе зоны чувствительности измерительной схемы, затем в зависимости от знака сигнала увеличивают или уменьшают ток на нагревателе исследуемого материала до тех пор, пока величина сигнала с моста не станет меньше пороговой, причем эту операцию повторяют, пока сигнал не будет оставаться меньше пороговой величины в течение времени
τ = , где h - характерный размер образца;
κ - температуропроводность.

В устройстве для определения теплопроводности твердых материалов, содержащем два коаксиально размещенных электрических нагревателя и эталон, на провод, из которого выполнены нагреватели, намотаны провода с высоким температурным коэффициентом и включены в плечи мостиковой схемы для обеспечения регистрации перепада температур, нагреватели установлены на теплоизоляционных пластинах и размещены в ячейке из высокотеплопроводного материала с возможностью их осевых перемещений, мостиковая схема соединена с входом блока сравнения, а выход последнего - с блоком регулировки, один выход которого связан с нагревателем исследуемого материала для изменения тока на нем, а другой - с первым входом блока регистрации, на второй вход которого подают сигнал с блока задания параметров эталона, причем для обеспечения осевых перемещений нагревателей они связаны между собой муфтой из эластичного материала и между теплоизоляционными пластинами установлены стойки из того же материала.

На чертеже представлена схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ.

Устройство включает ячейку 1 из высокотеплопроводящего материала, нагреватели 2, установленные на теплоизоляционных пластинах 3, между которыми размещены стойки 4 из эластичного материала, муфту 5, усилитель 6, блоки сравнения 7, регулировки 8, регистрации 9, а также блок 10 задания параметров эталона.

Измерительная ячейка 1 выполнена из высокотеплопроводного материала (например, медь, алюминий). Это обеспечивает быстрое выравнивание температур на торцовых поверхностях образцов во время измерений, что позволяет исключить необходимость использования системы принудительного термостатирования. Наличие эластичных стоек 4 дает возможность обеспечить хороший тепловой контакт нагревателей с образцами, если их торцовые поверхности не совсем плоскопараллельны. Для уменьшения инерционности измерительного датчика термометры сопротивления выполнены в виде намотки, например, медного провода виток к витку, из которого выполнен нагреватель.

Во время измерений сигнал с мостиковой схемы поступает на усилитель 6, а затем на блок 7 сравнения. Здесь определяются его знак и факт превышения пороговой величины, за которую принимается напряжение в измерительной диагонали моста при его минимальной чувствительности. После преобразования сигнала в блоке 7 он поступает на блок 8 цифроаналогового регулирования тока, который связан с нагревателем исследуемого материала и в зависимости от знака сигнала увеличивает или уменьшает ток на нем. Процесс измерения продолжается до тех пор, пока сигнал не установится ниже порогового и не будет оставаться таким в течение определенного времени τ, равного наибольшему времени прохождения теплового возмущения через измеряемый образец для исследуемого ряда материалов. После того, как величина сигнала установится ниже пороговой, информация поступает на блок 9 регистрации. Так как в данном случае реализуется сравнительный метод измерений, то на второй вход блока регистрации поступает сигнал с блока 10 задания параметров эталона. На нем перед измерениями устанавливаются данные о теплопроводности эталона. После несложных цифроаналоговых преобразований сигналов на цифровом табло блока 9 появляется информация о теплопроводности исследуемого материала.

Пример конкретного выполнения измерений. Образцы исследуемого и эталонного материалов устанавливают на соответствующих нагревателях 2, размещаемых в ячейке 1. Вводят в блок 10 информацию об использованном эталоне. Включают устройство. На нагреватель эталона подается ток постоянной величины. На нагревателе исследуемого материала ток начинает монотонно увеличиваться. Сигнал, поступающий с мостиковой схемы, через усилитель 6 подается на блок 7 сравнения, где он преобразуется и в виде логических уровней поступает на блок 8 цифроаналогового регулирования тока. Этот блок определяет факт превышения сигналом пороговой величины и в зависимости от знака, превышающей величины увеличивает или уменьшает ток на нагревателе исследуемого материала. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температуры нагревателей не будут равны в пределах допустимой точности, т.е. величина сигнала не установится меньше пороговой и не будет оставаться такой в течение времени τ. После этого информация подается на блок 9, где после цифроаналоговых преобразований на цифровом табло появляется значение определяемого параметра.

Применение изобретения дает возможность повысить точность измерений и за счет автоматизации сократить их время, что существенно повышает продуктивность исследований. Наиболее актуально использование изобретения при инженерных изысканиях для исследования грунтов.

Похожие патенты RU2024013C1

название год авторы номер документа
Устройство для определения теплопроводности материалов 1982
  • Даниэлян Юрий Саакович
  • Зайцев Владимир Сергеевич
SU1099263A1
Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов 1981
  • Даниэлян Юрий Саакович
  • Зайцев Владимир Сергеевич
  • Кудрявцев Евгений Алексеевич
SU989419A1
Способ определения коэффициента теплопроводности твердых материалов и устройство для его осуществления 1989
  • Даниэлян Юрий Саакович
  • Зайцев Владимир Сергеевич
  • Гамаюнова Людмила Викторовна
  • Воеводин Игорь Юрьевич
SU1684644A1
Устройство для определения теплопроводности твердых материалов 1987
  • Даниэлян Юрий Саакович
  • Зайцев Владимир Сергеевич
SU1469411A1
Способ определения коэффициента теплопроводности 1981
  • Даниэлян Юрий Саакович
  • Зайцев Владимир Сергеевич
  • Кудрявцев Евгений Алексеевич
SU972359A1
Способ комплексного определения теплофизических свойств грунтов 1988
  • Даниэлян Юрий Саакович
  • Яницкий Петр Алексеевич
  • Зайцев Владимир Сергеевич
  • Таскаев Владимир Анатольевич
SU1608537A1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ВЫСОКОТЕПЛОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Азима Юрий Иванович
RU2551389C1
СПОСОБ СОВОКУПНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗНОРОДНЫХ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2020
  • Ходунков Вячеслав Петрович
RU2752398C1
Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах 1990
  • Даниэлян Юрий Саакович
  • Таскаев Владимир Анатольевич
SU1837215A1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ 1992
  • Деманов В.Э.
RU2034110C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 024 013 C1

Реферат патента 1994 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, в частности теплопроводности твердых материалов, таких как горные породы и строительные материиалы. Сущность изобретения заключается в создании нагревателями тепловых потоков в иследуемый и эталонный образцы и поддерживании равных температур на них. Во время измерений на нагреватель эталона подается ток постоянной величины. Ток на нагревателе исследуемого материала увеличивается или уменьшается в зависимости от знака сигнала, поступающего с мостиковой схемы, служащей для измерения перепада температур между нагревателями. Этот процесс продолжается до тех пор, пока величина сигнала не станет ниже пороговой и не будет оставаться такой в течение времени τ = h2/8χ , где H - характерный размер образца; c - температуропроводность образца. Для увеличения точности измерений в устройство для осуществления способа включены блоки сравнения, регулирования, регистрации, а также блок задания параметров эталона. Перед измерениями эталонный и исследуемый образцы размещаются в измерительной ячейке, выполненной из высокопроводного материала. Нагреватели установлены на теплоизоляционных пластинах, между которыми установлены стойки из эластичного материала. Нагреватели связаны между собой резиновой муфтой. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 024 013 C1

1. Способ определения теплопроводности твердых материалов, заключающийся в создании нагревателями тепловых потоков в исследуемый и эталонный образцы, поддержании равных температур на нагревателях и определении величины коэффициента теплопроводности по известной формуле, отличающийся тем, что поддерживают постоянным ток на нагревателе эталона, определяют знак сигнала, в измерительной диагонали моста, в плечи которого включены датчики температуры нагревателей, превышение сигналом пороговой величины, которая равна напряжению в измерительной диагонали на пределе зоны чувствительности измерительной схемы, затем в зависимости от знака сигнала увеличивают или уменьшают ток на нагревателе исследуемого материала до тех пор, пока величина сигнала с моста не станет меньше пороговой, причем эту операцию повторяют, пока сигнал не будет оставаться меньше пороговой величины в течение времени
τ = ,
где h - характерный размер образца;
χ - температуропроводность.
2. Устройство для определения теплопроводности твердых материалов, содержащее два коаксиально размещенные электрических нагревателя и эталон, отличающееся тем, что на провод, из которого выполнены нагреватели, осуществлены намотки провода с высоким температурным коэффициентом и включены в плечи мостиковой схемы для обеспечения регистрации перепада температур, нагреватели установлены на теплоизоляционных пластинах и размещены в ячейке из высокотеплопроводного материала с возможностью их осевых перемещений, мостиковая схема соединена с входом блока сравнения, а выход последнего - с блоком регулировки, один выход которого связан с нагревателем исследуемого материала для изменения тока на нем, а другой выход - с первым входом блока регистрации, на второй вход которого подается сигнал с блока задания параметров эталона. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что нагреватели связаны между собой муфтой из эластичного материала и между теплоизоляционными пластинами установлены стойки из того же материала для обеспечения осевых перемещений нагревателей.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1994 года RU2024013C1

Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды 1921
  • Богач Б.И.
SU4A1
Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов 1981
  • Даниэлян Юрий Саакович
  • Зайцев Владимир Сергеевич
  • Кудрявцев Евгений Алексеевич
SU989419A1
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1

RU 2 024 013 C1

Авторы

Даниэлян Ю.С.

Киселев В.И.

Зайцев В.С.

Даты

1994-11-30Публикация

1992-03-02Подача