УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ Российский патент 1999 года по МПК G01N25/18 

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 C_p•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:

или для двух моментов времени:

где - 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 K_э= (ΔT(τ_iэ)-ΔT(τ₀))/tgϕ_iэ, где K_э - расчетная величина для эталонной жидкости, ΔT(τ_iэ) и ΔT(τ₀) - избыточная температура нити в моменты времени τ_iэ и τ₀, tgϕ_iэ= (ΔT(τ_iэ)-ΔT(τ₀))/ln(τ_iэ/τ₀), затем балансировку моста, задание характеристик импульса, измерение n дискретных значений напряжения, построение термограммы проводят для исследованного вещества, определяют ΔT(τ_i)-ΔT(τ₀) и τ_i, при условии K_э= K_и= (ΔT(τ_i)-ΔT(τ₀))/tgϕ_i, где K_и - расчетная величина для исследуемого вещества, ΔT(τ_i) - избыточная температура нити в момент времени τ_i, tgϕ_i= (ΔT(τ_i)-ΔT(τ₀))/ln(τ_i/τ₀) и рассчитывают значение коэффициента температуропроводности исследуемого вещества по зависимости α_i= (α_iэτ_iэ)/τ, где α_i и α_iэ - 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 R_K и R_i (из платиновой нити диаметром 5 мкм) включены в разные плечи моста. Причем R_K 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+R_K= R₂+R₄+R_i. При этом температурные изменения сопротивления R_i компенсируют магазином сопротивлений R₄. Для обоих датчиков R_i и R_K 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 U_i 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 U_i 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: R_i помещают в эталонную жидкость, измеряют изменение температуры T нити во времени τ, строят термограмму ΔT(τ_iэ)-ΔT(τ₀) = f[ln(τ_iэ/τ₀)], определяют тангенс угла наклона этой термограммы:

В качестве эталонной жидкости применяли изооктан с известными свойствами α_э,λ_э. Затем для некоторого момента времени τ_iэ из термограммы находят ΔT(τ_iэ)-ΔT(τ₀) и вычисляют значение

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

Уравнение (2) можно представить в виде:

Подставляя (5) в (1)


Приравнивая (6) и (7)

При равенстве (3) и (4)

или
α_э*τ_iэ= α_i*τ_i
окончательно

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 C_р и тепловой активности ε, рассчитанные по известным термодинамическим соотношениям с использованием экспериментально измеренных значений α_i и λ_i.

Из таблицы видно, что экспериментальные значения α и λ хорошо согласуются со справочными [3] (α_c и λ_c - 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.

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.

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
K_э= (ΔT(τ_iэ)-ΔT(τ₀))/tgϕ_iэ,
где К_э - расчетная величина для эталонной жидкости;
ΔT(τ_iэ) и ΔT(τ₀) - избыточная температура нити в моменты времени τ_iэ и τ₀;

затем балансировку моста, задание характеристик импульса, измерение n дискретных значений напряжения, построение термограммы проводят для исследуемого вещества, определяют
ΔT(τ_i)-ΔT(τ₀) и τ_i,
при условии
K_э= K_и= (ΔT(τ_i)-ΔT(τ₀))/tgϕ_i,
где К_и - расчетная величина для исследуемого вещества;
ΔT(τ_i) - избыточная температура нити в момент времени τ_i;
tgϕ_i= (ΔT(τ_i)-ΔT(τ₀))/ln(τ_i/τ₀)
и рассчитывают значение коэффициента температуропроводности исследуемого вещества по зависимости
α₁= (α_iэτ_iэ)/τ_i,
где α_i и α_iэ - 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.