Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления Российский патент 2020 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов с большой внутренней неоднородностью, преимущественно вакуумных теплоизоляционных изделий.

Известен способ измерения удельного теплового сопротивления, заключающийся в формировании теплового потока, пропускании теплового потока через первый эталонный объект, затем от внутренней поверхности исследуемого объекта к наружной поверхности исследуемого объекта, измерении зависимости от времени температуры внутренней поверхности исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, измерении зависимости от времени температуры наружной поверхности исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, пропускании теплового потока после исследуемого объекта через второй эталонный объект, измерении зависимости от времени температуры поверхности первого эталонного объекта в области входа теплового потока в первый эталонный объект и измерении зависимости от времени температуры поверхности второго эталонного объекта в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта, определении перепадов температур с использованием первого эталонного объекта и второго эталонного объекта, с учетом которых определяют тепловые потери и величину удельного теплового сопротивления [см. патент РФ №2330270, кл. G01N 25/18, опубл. 27.07.2008 Бюл. №21, «Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления», авторы: Е.В. Абрамова и др.].

Известно устройство, содержащее источник тепловой энергии, вырабатывающий тепловой поток, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, третий измеритель температуры, четвертый измеритель температуры, электронный блок обработки, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом электронного блока обработки, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом электронного блока обработки, первый эталонный объект и второй эталонный объект, при этом обеспечивается прохождение теплового потока последовательно через первый эталонный объект, исследуемый объект и второй эталонный объект, первый измеритель температуры размещен между наружной поверхностью источника тепловой энергии и наружной поверхностью первого эталонного объекта в области прохождения теплового потока, второй измеритель температуры размещен между наружной поверхностью первого эталонного объекта и внутренней поверхностью исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, третий измеритель температуры размещен между наружной поверхностью исследуемого объекта и примыкающей к ней наружной поверхностью второго эталонного объекта в области прохождения теплового потока, четвертый измеритель температуры размещен на наружной поверхности второго эталонного объекта в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта, причем электронный блок обработки обеспечивает возможность вычисления удельного теплового сопротивления по сигналам от первого, второго, третьего и четвертого измерителей температуры [см. патент РФ №2330270, кл. G01N 25/18, опубл. 27.07.2008 Бюл. №21, «Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления», авторы: Е.В. Абрамова и др.].

Недостаток данного способа и устройства заключается в низкой точности измерения удельного теплового сопротивления измеряемого объекта по результатам измерения температур с помощью термопар, размещенных на границах эталонных объектов, так как на границах твердых тел существует скачок температуры, вызванный микронеровностями поверхностей, поэтому большей точностью обладает замер температуры термопарой, размещенной внутри твердого тела, а не на его поверхности.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения удельного теплового сопротивления, заключающийся в формировании теплового потока источником тепловыделения; пропускании одной части теплового потока через измеряемый объект, а другой части теплового потока через термостойкий материал; в измерении с помощью, по меньшей мере, пары дифференциальных термопар значения напряжения, возникающего из-за разности температур между двумя точками на термостойком материале; вычислении с помощью вычислительного устройства скорости, с которой выходное напряжение дифференциальных термопар изменяется во времени; и вычислении удельного теплового сопротивления измеряемого объекта с помощью уравнения (1):

где X - удельное тепловое сопротивление измеряемого объекта, Y - скорость изменения выходного напряжения дифференциальной термопары, а и b - константы, полученные путем применения результата измерения с использованием двух или более видов материалов с известным удельным тепловым сопротивлением к формуле (1) [см. патент WO 2018100608 (А1), МПК: G01N 25/18, опубл. 07.06.2018, «Thermal conductivity measurement device, thermal conductivity measurement method, and vacuum evaluation device», авторы: Hasegawa Toshikazu и др.].

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство, содержащее источник тепловыделения, расположенный так, чтобы он контактировал с измеряемым объектом; термостойкий материал, расположенный таким образом, чтобы он контактировал с источником тепловыделения; по меньшей мере, пару дифференциальных термопар для измерения значения напряжения, возникающего из-за разности температур между двумя точками на термостойком материале, причем, эта разница генерируется потоком тепла от источника тепловыделения; вычислительное устройство для вычисления скорости, с которой выходное напряжение дифференциальных термопар изменяется во времени, и для вычисления удельного теплового сопротивления объекта, подлежащего измерению [см. патент WO 2018100608 (А1), МПК: G01N 25/18, опубл. 07.06.2018, «Thermal conductivity measurement device, thermal conductivity measurement method, and vacuum evaluation device», авторы: Hasegawa Toshikazu и др.].

Недостаток данного способа и устройства заключается в низкой точности измерения удельного теплового сопротивления измеряемого объекта, так как предполагается постоянство констант а и b в формуле (1) для различных видов материалов с известным удельным тепловым сопротивлением и для измеряемого объекта, например, вакуумного теплоизоляционного изделия, которое может обладать существенной неоднородностью и анизотропией теплофизических свойств и другим значением теплоемкости. Кроме того, данный способ не предусматривает установления регулярного теплового режима, что также снижает точность метода.

Техническим результатом предлагаемого способа измерения удельного теплового сопротивления и устройства для его осуществления является повышение точности измерения удельного теплового сопротивления измеряемого объекта при испытаниях исследуемого объекта с большой внутренней неоднородностью и анизотропией теплофизических свойств, например, вакуумного теплоизоляционного изделия.

Технический результат в соответствии с п. 1 формулы изобретения достигается тем, что в известном способе, заключающимся в формировании теплового потока источником тепловыделения; пропускании первой части теплового потока через измеряемый объект, а второй части теплового потока через термостойкий материал, согласно изобретению, первую часть теплового потока пропускают сначала через первый эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через исследуемый объект; измеряют зависимость температуры первого эталонного объекта от времени; пропускают вторую часть теплового потока сначала через второй эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через термостойкий материал; измеряют зависимость температуры второго эталонного объекта от времени; определяют температуру окружающей среды и интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину при семи различных уровнях начальных температур первого и второго эталонных объектов; подставляют величины разностей интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, и величину температуры окружающей среды в уравнения, имеющие обобщенный вид:

где , - интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на ΔT градусов при i-м уровне начальной температуры первого эталонного объекта и второго эталонного объекта;

i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7;

B₁=χ⋅W;

B₂=(1-χ)⋅W;

M_s1, M_s2, M_s3, M_u - масса первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

c_s1, c_s2, c_s3, c_u - удельная теплоемкость первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

R_s1, R_s2, R_s3, R_u - удельные тепловые сопротивления первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

W - тепловая мощность источника тепловыделения;

T_h - температура окружающей среды;

F_ts1, F_ts2, F_ts3, F_u - площадь торцевой поверхности первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

F - площадь поверхности контакта всех объектов между собой;

, - температура начала замера времени при i-м уровне начальной температуры соответственно первого эталонного объекта и второго эталонного объекта;

ΔT - заданный интервал температуры;

α_h1, α_h2 - коэффициенты теплоотдачи окружающей среды вблизи поверхностей измеряемого объекта и термостойкого материала, α₁, α₂ - коэффициенты пропорциональности среднемассовой температуры объекта измерения и термостойкого материала температурам на границах этих объектов, χ - отношение теплового потока через границу первого эталонного объекта с источником тепловыделения к суммарному тепловому потоку через границы первого и второго эталонных объектов с источником тепловыделения; а затем решают систему из семи уравнений с помощью вычислительного устройства относительно семи неизвестных величин α_h1, α_h2, α₁, α₂, χ, W и R_u, последняя из которых представляет собой искомую величину - удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта.

Такой вариант реализации заявленного способа позволяет повысить точность измерения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта с большой внутренней неоднородностью за счет того, что измеряют с течением времени среднемассовую температуру первого и второго эталонных объектов с большой величиной теплопроводности, размещенных по обе стороны источника тепловыделения между ним и с одной стороны измеряемым объектом, а с другой стороны термостойким материалом; определяют интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину; решают с помощью вычислительного устройства систему из семи уравнений при подстановке в них результатов семи измерений интервалов времени. Указанные отличия предложенного изобретения позволяют исключить использование других материалов с известным удельным тепловым сопротивлением для нахождения неизвестных констант в решаемых уравнениях при расчетном определении теплового сопротивления исследуемого объекта, что повышает точность его нахождения.

Технический результат в соответствии с п. 2 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее источник тепловыделения, вырабатывающий тепловой поток, термостойкий материал, вычислительное устройство и исследуемый объект, дополнительно введены три измерителя температуры, электронный блок обработки, первый и второй эталонные объекты, которые размещены с двух противоположных сторон от источника тепловыделения и выполнены из материала с большой величиной теплопроводности, исследуемый объект расположен прилегающим к первому эталонному объекту, термостойкий материал расположен прилегающим к второму эталонному объекту, первый измеритель температуры размещен внутри первого эталонного объекта в середине его толщины, второй измеритель температуры размещен внутри второго эталонного объекта в середине его толщины, третий измеритель температуры размещен в окружающей среде, выходы первого, второго и третьего измерителей температуры соединены с входами электронного блока обработки, выход электронного блока обработки соединен с входом вычислительного устройства.

Такой вариант выполнения заявленного устройства для измерения удельного теплового сопротивления позволяет повысить точность измерения за счет измерения температуры не на границах твердых тел, а внутри двух эталонных объектов и за счет расчета удельного теплового сопротивления с помощью вычислительного устройства путем решения системы из семи уравнений при подстановке в них результатов семи измерений интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину. Возможность определения удельного теплового сопротивления расчетным путем обеспечивается исполнением первого и второго эталонных объектов из материала с известным коэффициентом теплопроводности большой величины, а термостойкого материала с известным коэффициентом теплопроводности малой величины. Известные геометрические размеры всех объектов и теплофизические свойства первого и второго эталонных объектов и термостойкого материала позволяют выразить зависимость разности интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, от удельного теплового сопротивления исследуемого объекта в виде уравнения.

То, что поставленная задача изобретения действительно решается в заявленных способе и устройстве, можно проиллюстрировать следующим образом.

В качестве источника тепловой энергии в заявленных способе и устройстве используется плоский преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. При этом в прилегающие к нему с двух сторон первый и второй эталонные объекты с поверхностями контакта, одинаковыми с поверхностями контакта источника тепловыделения, поступают удельные тепловые потоки, соответственно q₁ и q₂. Так как первый и второй измерители температуры размещены в серединах толщины первого и второго эталонных объектов, а коэффициенты теплопроводности этих объектов велики, то измеряемые температуры в геометрических центрах этих объектов можно принять за среднемассовые. В этом случае для первого и второго эталонных объектов через некоторое время (около 2 минут) наступает регулярный тепловой режим первого рода, для которого уравнение теплового баланса принимает вид обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка:

- для первого эталонного объекта:

- для второго эталонного объекта:

Уравнения теплового баланса дополняются выражениями для удельных тепловых потоков от источника тепловыделения:

граничными условиями:

- для границы между первым эталонным объектом и измеряемым объектом:

- для границы между измеряемым объектом и окружающей средой:

- для границы между вторым эталонным объектом и термостойким материалом:

- для границы между термостойким материалом и окружающей средой:

выражениями для среднемассовых температур, определяемых по температурам на границах объектов:

- для измеряемого объекта:

- для термостойкого материала:

выражениями для тепловых сопротивлений: - для первого эталонных объекта:

- для второго эталонного объекта:

- для термостойкого материала:

- для окружающей среды со стороны измеряемого объекта:

- для окружающей среды со стороны термостойкого материала:

Дифференциальные уравнения тепловых балансов (2) и (3) могут быть разрешены относительно промежутков времени, за которые температуры первого и второго эталонных объектов повышаются на заданную величину при использовании выражений (4)-(16):

где

Известными величинами в полученных выражениях являются:

M_s1, M_s2, M_s3, M_u - масса первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

c_s1, c_s2, c_s3, c_u - удельная теплоемкость первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

δ_s1, δ_s2, δ_s3, δ_u - толщина первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

λ_s1, λ_s2, λ_s3, - коэффициент теплопроводности первого и второго эталонных объектов и термостойкого материала;

T_h - температура окружающей среды;

F_ts1, F_ts2, F_ts3, F_u - площадь торцевой поверхности первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

F - площадь поверхности контакта всех объектов между собой.

Задаваемыми величинами являются:

T_s1^нач, T_s2^нач - температура первого и второго эталонных объектов в начале замера времени;

T_s1^кон, T_s1^кон - температура первого и второго эталонных объектов в конце замера времени.

Неизвестными величинами являются:

R_u, - удельное тепловое сопротивление измеряемого объекта;

α_h1, α_h2 - коэффициенты теплоотдачи окружающей среды вблизи поверхностей измеряемого объекта и термостойкого материала;

α₁, α₂ - коэффициенты пропорциональности среднемассовой температуры измеряемого объекта и термостойкого материала температурам на границах этих объектов;

χ - отношение теплового потока через границу первого эталонного объекта с источником тепловыделения к суммарному тепловому потоку через границы первого и второго эталонных объектов с источником тепловыделения;

W - тепловая мощность источника тепловыделения.

Для определения неизвестных величин необходимо составить семь уравнений с использованием семи различных результатов измерений. Уравнения можно получить, если для объекта измерения провести измерения величин Δτ_s1 и Δτ_s2 при задании семи уровней температур начала отсчета времени. На i-м уровне температуры начала отсчета времени, например, T_s1^начi= T_s1^начi=T_h+i⋅ΔТ₀ задается температура окончания отсчета времени, например, T_s1^конi= T_s1^конi =T_h+i⋅ΔT₀+ΔT, проводятся измерения промежутков времени Δτ_s1ⁱ и Δτ_s2ⁱ, которые подставляются в левую часть формируемого уравнения, данный процесс выполняется для i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, в результате составляется система из семи уравнений вида:

в которых семь неизвестных: α_h1, α_h2, α₁, α₂, χ, W и величина удельного теплового сопротивления объекта измерений R_u. Величина ΔТ₀ принимается такой, чтобы в экспериментах обеспечивалось различие в левых частях всех уравнений (25), например, ΔТ₀=2 градуса Цельсия. Величина ΔT принимается такой, чтобы в экспериментах обеспечивалась достаточная относительная погрешность определения интервалов времени Δτ_s2 и Δτ_s1. Для абсолютной погрешности измерения времени в 1 секунду разность величин Δτ_s2 и Δτ_s1 в 20 секунд, обеспечивающая относительную погрешность измерения времени 5%, достигается при величине ΔT равной 10-15 градусов Цельсия.

Итак, задача изобретения действительно решается в заявленных способе измерения удельного теплового сопротивления и устройстве для его осуществления.

На чертеже представлен вид конструктивного исполнения предложенного изобретения с местным разрезом.

Позиции на чертеже - источник тепловыделения; 2 - первый эталонный объект; 3 - первый измеритель температуры; 4 - второй эталонный объект; 5 - второй измеритель температуры; 6 - исследуемый объект; 7 - термостойкий материал; 8 - третий измеритель температуры; 9 - электронный блок обработки измерений; 10 - вычислительное устройство.

Способ по п. 1 формулы изобретения осуществляется следующим образом. Источник тепловыделения 1 получает от внешнего источника электрической энергии электрическую мощность, которая преобразуется с потерями в окружающую среду в тепловой поток мощностью W и разделяется на два потока, один из которых мощностью χ⋅W входит в первый эталонный объект 2 по поверхности площадью F, температуру которого измеряют с помощью измерителя температуры 3, расположенного в середине его толщины. Первый тепловой поток частично расходуется на нагрев первого эталонного объекта 2, частично выходит в окружающую среду через его торцевую поверхность и частично входит в исследуемый объект 6 по поверхности площадью F. Второй тепловой поток мощностью (1-χ)⋅W входит во второй эталонный объект 4 по поверхности площадью F, температуру которого измеряют с помощью измерителя температуры 5, расположенного в середине его толщины. Второй тепловой поток частично расходуется на нагрев второго эталонного объекта 4, частично выходит в окружающую среду через его торцевую поверхность и частично входит в термостойкий материал 7 по поверхности площадью F. Так как площади всех теплопередающих поверхностей на границах соприкасания первого эталонного объекта 2 с исследуемым объектом 6 и второго эталонного объекта 4 с термостойким материалом 7 одинаковы, а площади торцевых поверхностей первого 2 и второго 4 эталонных объектов значительно меньше площади F, скорости изменения температур, измеряемых измерителями температур 3 и 5, будут различны при различии удельных тепловых сопротивлений исследуемого объекта 6 и термостойкого материала 7. Температура первого эталонного объекта 2 будет возрастать тем быстрее, чем больше тепловое сопротивление исследуемого объекта 6.

Через некоторое время, например, через 1-2 минуты после формирования теплового потока источником тепловыделения 1 наступает регулярный тепловой режим, характеризующийся тем, что вид распределения температуры по толщине первого 2 и второго 4 эталонных объектов остается подобным с течением времени [Суслов В.А. Тепломассообмен: учеб. пособие / СПбГУПТД ВШ ТиЭ. СПб., 2016. Часть 1. - 98 с: ил. 58.]. Тепловой баланс первого эталонного объекта 2 описывается дифференциальным уравнением (2). Тепловой второго эталонного объекта 4 описывается дифференциальным уравнением (3). Первый эталонный объект 2 и второй эталонный объект 4 выполнены из материалов с высоким значением коэффициента теплопроводности, например, из алюминиевого сплава, что гарантирует выравнивание температуры по длине и ширене первого 2 и второго 4 эталонных объектов. Так как рабочие органы первого измерителя температуры 3 и второго измерителя температуры 5 располагаются в серединах толщины соответственно первого 2 и второго 4 эталонных объектов, то измеренные значения температуры с помощью первого измерителя температуры 3 и второго измерителя температуры 5 отражают среднемассовые значения температуры первого 2 и второго 4 эталонных объектов.

С помощью измерителя температуры 8 замеряют температуру окружаюей среды. С помощью электронного блока 9 электрические сигналы с измерителей температуры 3, 5 и 8 преобразуются в цифровой формат и передаются на вычислительное устройство 10, например, компьютер.

Разности значений температуры, полученных с помощью измерителей температуры 3 и 8, а также 5 и 8, фиксируются на текущие моменты времени. Значения данных разностей представляют собой разности между среднемассовыми температурами первого 2 и второго 4 эталонных объектов и температурой окружающей среды. Данные разности вместе с соответствующими им показаниями времени фиксируются в вычислительном устройстве 10. Когда разность между среднемассовой температурой первого эталонного объекта 2 и температурой окружающей среды станет равной величине ΔT₀, фиксируется начало отсчета времени, а когда разность между среднемассовой температурой первого эталонного объекта 2 и температурой окружающей среды станет равной величине ΔТ₀ плюс ΔТ, фиксируется окончание отсчета времени. Интервал времени, за который температура первого эталонного объекта 2 повышается на⋅ΔT, рассчитывается с помощью вычислительного устройства 10 как разность между временем окончания отсчета и временем начала отсчета - Δτⁱ_s1 и сохраняется в вычислительном устройстве 10 для порядкового номера эксперимента i равного 1. Когда разность между среднемассовой температурой второго эталонного объекта 4 и температурой окружающей среды станет равной величине⋅ΔT₀, фиксируется начало отсчета времени, а когда разность между среднемассовой температурой второго эталонного объекта 4 и температурой окружающей среды станет равной величине ΔT₀ плюс ΔT, фиксируется окончание отсчета времени. Интервал времени, за который температура первого эталонного объекта 2 повышается на⋅ΔT, рассчитывается с помощью вычислительного устройства 10 как разность между временем окончания отсчета и временем начала отсчета - Δτⁱ_s2 и сохраняется в вычислительном устройстве 10 для порядкового номера эксперимента i равного 1. Аналогично производятся эксперименты с порядковыми номерами i равными 2, 3, 4, 5, 6, 7 при которых начала отсчета времени фиксируются, когда разности между среднемассовыми температурами первого 2 и второго 4 эталонных объектов и температурой окружающей среды равны произведению i и ΔT₀, а окончания отсчета времени фиксируются, когда разности между среднемассовыми температурами первого 2 и второго 4 эталонных объектов и температурой окружающей среды возрастают на ΔT.

Удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта 6 определяется по разности интервалов времени нагрева (Δτⁱ_s2 - Δτⁱ_s1) второго эталонного объекта 4 и первого эталонного объекта 2 на заданную величину ΔT из решения относительно семи неизвестных - α_h1, α_h2, α₁, α₂, χ, η и R_u системы из семи уравнений вида (25), составленных по результатам семи экспериментов над исследуемым объектом 6. Система из семи уравнений вида (25) решается на персональном компьютере 10 относительно семи неизвестных - α_h1, α_h2, α₁, α₂, χ, η и R_u, последнее из которых является искомой величиной - удельным тепловым сопротивления исследуемого объекта 6.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом.

Устройство для измерения удельного теплового сопротивления содержит источник тепловыделения 1, выполненный в виде плоской пластины и вырабатывающий тепловой поток, первый эталонный объект 2 с размещенным посередине его толщины первым измерителем температуры 3, второй эталонный объект 4, с размещенным посередине его толщины вторым измерителем температуры 5, исследуемый объект 6, термостойкий материал 7, третий измеритель температуры 8, электронный блок обработки измерений 9, вычислительное устройство 10. Поверхности контакта источника тепловыделения 1, первого 2 и второго 3 эталонных объектов, исследуемого объекта 6 и термостойкого материала 7 равны между собой.

Устройство по п. 2 формулы изобретения работает следующим образом. Источник тепловой энергии 1 имеет на входе электрическую мощность, которая преобразуется в тепловую мощность и разделяется на два потока, один из которых проходит через первый эталонный объект 2, затем через исследуемый объект 6 и выходит в окружающую среду, а второй тепловой поток проходит через второй эталонный объект 4, затем через термостокий материал 7 и выходит в окружающую среду. Первый тепловой поток частично расходуется на нагрев первого эталонного объекта 2 и исследуемого объекта 6. Второй тепловой поток частично расходуется на нагрев второго эталонного объекта 4 и термостойкого материала 7. Сигналы от измерителей температуры 3, 5, 8 обрабатываются электронным блоком 9 и регистрируются в вычислительном устройстве 10 в виде численных значений переменных на фиксируемый момент времени. Повышение точности измерения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта в предложенном способе и реализующем его устройстве обеспечивается тем, что измеряемые величины -разности интервалов времени, за которые температура эталонных объектов повышается на заданную величину, определяются с абсолютной погрешностью плюс-минус 0,1 сек., а измерения проводятся после достижения регулярного теплового режима.

Предлагаемое изобретение позволяет проводить измерения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта с относительной погрешностью не более 5%.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов с большой внутренней неоднородностью, преимущественно вакуумных теплоизоляционных изделий. В изобретении тепловой поток формируют источником тепловыделения. Первую часть теплового потока пропускают сначала через первый эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через исследуемый объект. Измеряют зависимость температуры первого эталонного объекта от времени. Пропускают вторую часть теплового потока сначала через второй эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через термостойкий материал. Измеряют зависимость температуры второго эталонного объекта от времени. Определяют температуру окружающей среды и интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину при семи различных уровнях начальных температур первого и второго эталонных объектов. Подставляют величины разностей интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, и величину температуры окружающей среды в уравнения, имеющие обобщенный вид:

где i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, а затем решают систему из семи уравнений с помощью вычислительного устройства относительно семи неизвестных величин α_h1, α_h2, α₁, α₂, χ, W и R_u, последняя из которых представляет собой удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта. Технический результат - повышение точности измерения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения удельного теплового сопротивления, заключающийся в формировании теплового потока источником тепловыделения; пропускании первой части теплового потока через измеряемый объект, а второй части теплового потока через термостойкий материал, отличающийся тем, что первую часть теплового потока пропускают сначала через первый эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через исследуемый объект; измеряют зависимость температуры первого эталонного объекта от времени; пропускают вторую часть теплового потока сначала через второй эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через термостойкий материал; измеряют зависимость температуры второго эталонного объекта от времени; определяют температуру окружающей среды и интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину при семи различных уровнях начальных температур первого и второго эталонных объектов; подставляют значения разностей интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, и величину температуры окружающей среды в уравнения, имеющие обобщенный вид:

где Δ_τs1ⁱ, Δ_τs2ⁱ - интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на ΔT градусов при i-м уровне начальной температуры первого эталонного объекта и второго эталонного объекта;

i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7;

B₁=χ⋅W;

B₂=(1-χ)⋅W;

M_s1, M_s2, M_s3, M_u - масса первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

c_s1, c_s2, c_s3, c_u - удельная теплоемкость первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

R_s1, R_s2, R_s3, R_u - удельные тепловые сопротивления первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

W - тепловая мощность источника тепловыделения;

T_h - температура окружающей среды;

F_ts1, F_ts2, F_ts3, F_u - площадь торцевой поверхности первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;

F - площадь поверхности контакта всех объектов между собой;

T_s1ⁱ, T_s2ⁱ - температура начала замера времени при i-м уровне начальной температуры соответственно первого эталонного объекта и второго эталонного объекта;

ΔT - заданный интервал температуры;

α_h1, α_h2 - коэффициенты теплоотдачи окружающей среды вблизи поверхностей измеряемого объекта и термостойкого материала, α₁, α₂ - коэффициенты пропорциональности среднемассовой температуры объекта измерения и термостойкого материала температурам на границах этих объектов, χ - отношение теплового потока через границу первого эталонного объекта с источником тепловыделения к суммарному тепловому потоку через границы первого и второго эталонных объектов с источником тепловыделения; а затем решают систему из семи уравнений с помощью вычислительного устройства относительно семи неизвестных величин α_h1, α_h2, α₁, α₂, χ, W и R_u, последняя из которых представляет собой искомую величину - удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта.

2. Устройство измерения удельного теплового сопротивления, содержащее источник тепловыделения, вырабатывающий тепловой поток, термостойкий материал, вычислительное устройство и исследуемый объект, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены три измерителя температуры, электронный блок обработки, первый и второй эталонные объекты, которые размещены с двух противоположных сторон от источника тепловыделения и выполнены из материала с большой величиной теплопроводности, исследуемый объект расположен прилегающим к первому эталонному объекту, термостойкий материал расположен прилегающим к второму эталонному объекту, первый измеритель температуры размещен внутри первого эталонного объекта в середине его толщины, второй измеритель температуры размещен внутри второго эталонного объекта в середине его толщины, третий измеритель температуры размещен в окружающей среде, выходы первого, второго и третьего измерителей температуры соединены с входами электронного блока обработки, выход электронного блока обработки соединен с входом вычислительного устройства.