Способ определения теплофизических свойств жидкообразных и мелкодисперсных сред и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизнческим измерениям, в частности теплопроводности,, объемной теплоемкости; температуропроводности жидкостей, суспензий, растворов и расплавов полимеров л мелкодисперсных порош- 5 ков, т.е. тех сред которые образуют идеальный тепловой контакт с источником и приемником тепла.

Известны способ и устройство для определения теплофизических Ю свойств жидких и дисперсных сред, в которых в испытуемую среду погружается источник тепла (зонд), изме«я plnroT количество тепла, отдаваемое

зондом среде, и регистрируют воз- 15 никшие температурные измененияВ среде или в зонде 11 . ;

Недостатком указанного способа и устройства является сложность экспериментального оформления и p6pa-2Q бртки опытных данных.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения теплофизических свойств жид- 25 кообразных и дисперсных сред, включающий воздействие одномерным тепловым потоком на слой, измерение времени

.и разности температур между поверхностями, ограничивающими слой. По этому способу могут быть определены теплофизические свойства материалов, имеющих существенно разные значения

теплофизических характеристик С23. Устройство для 6существл:ания этого способа содержит камеру с изолнро-35 ванной боковой поверхностью, плоский нагреватель, расположенный сверху камеры, преобразователь, разности температур торцовых поверхностей камеры и ключи 2}.40

ОсновНЫГ4 недостатком известною способа и устройства для его осуществления является сложность определения теплофизических параметров, так как в формулы д.я расчета тепло- 45 проводности и объемной теплоемкости входят параметры, которые Находятся из специальных .таблиц, Йеобходи;мость в использовании таблиц исключает автоматическое определение тепло- cfi физических параметров.Кроме того,тре-:

;буется йбеспечить постоянство темг1ературы нагревателя. Одномерность теплового потока по всей системе (исследуемый образец - теплоприемник7 , и отсутствие теплового потока на конце теплрприемника, что ведет к дополнительнее усложнению устройртва, осуществляющего Спосо(5.

Целью изобретения является упро- . щение определения теплофизических °0

СЗЗОЙСТВ.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу включающему воздействие одномерным тепловым потоком на исследуемый слой, измере- 65.

кие времени и разности температур поверхностей, орраничиваквдих слой, дополнительно измеряют количество тепла, прошедшее через одну из ограничивающих исследуемый слой поверхноС тей, приращения температуры в точках слоя за одни и те же интервалы времени, и по измеренным параметрги определяют искомые свойства.

Устройство для осуществления способа, содержащее камеру с изолированной боковой поверхностью, плоский нагреватель, расположенный сверху камеры, преобразователь разности температур торцовых поверхностей камеры и ключи, дополнительно содержи два интегратора, три ну.ль-индикат6ра, источник опорного напряжения, триггер схему отношения двух сигналов, ячейку памяти, линию задержки, преобразователь температуры одной иэ торцовых поверхностей камеры,, заполняемой исследуемой средой тепломер, два сумматора, схему ИЛИ, причем плюсовой вход первого сумматора соединен с выходами преобразователей температуры и раз ности температур, а минусовой вход - с источником опорного напряжения и минусовым вхЬдом второго сумматора, плюсовой вход которого соединен с выходом первого сумматора и входом первого нуль-индикатора, который управляет ключами, заГ1Ы ающими выход тепломера и преобразователя разности температур, с ийвертирующим и неинвертируюащм входами соответственно первого и второго интегратора, причем выход первого интегратора соединен со входом схемы отношения, выход которой подключен к ячейке памяти, управляющий вход которой соединен через линию задержки и схему 1ШИ с выходом второго и третьего нуль-индикатора и с раздельными входами триггера, причем входы:второго и третьего нуль-индикаторов соединены соответственно с выходом второго интегратора и второго сумматора, а выходы триггера подключены . к управляющим входам ключе, замыкающих выход второго интегратора или выход первого сумматора со вторым

входом схемы отношения. I - - .

На чертеже представлена схема устройства/ осуществляющего предлагаёкый способ.

Устройство включает цилиндрическую камеру 1 с изолированной боко :вой по;§ерхностью,г;Ш1ОСкиЙ нагреватель J, преобразователь разности температур 3, содержаодай преобразователь термоЭДС и диффЪренциальную термопару, спаи которой помещены на торцовых поверхностях камеры 1/ преобразователь те шературы 4, состоящи({. из преобразователя те моЭДС и , .ро чий с&ай которой помещ н:на нижней торцовой поверх310ности камеры, а хоподный - в месте где температура за время измерения не изменяется, тепломер 5, источник опорного напряжения 6, ключи 7-10 . сукматоры 11 и 12, два интегратора 13 и 14 с двумя входами - инвертирующим и.неинвертйрукщим, нуль-индикаторы 15-17, ключи 18 и 19, триггер 20 с раздельными входами, схему отношения 21 лвух сигналов, ячейку памяти 22, схему задержки 23, схе-г .:Мы:;или-24 ,и .25.::--...;;;:;; -.., Теплс1мер 5 нэмерякваий т« плрвой потоку вход)Ци«1 в испытуемую среду через верхнюю торцовую поверхность кайеры, включаете в с ебяпреобразрватёль 26 т кшературк, изм|гр айой на расстоянии ДУЗ от верхней торцовой поверхности камеры, дифферечциатор V 27:г пв разователь V 28 разности: темпера ур и сумматор - Расчет1п |е соотношения могут to получены сйевддам Образом. Запшем диффе ренЁ альное уравне йие теплоп{ 0&одйЬсти для одномерного распространения тепла. dlt --di - f 1 -. - -- : V4 где X - кооплйн та по котоппй - Интегрируя Д11 дважды по X:и по времени г ,получ1Ш уравнен ;ётв1ТЛО провод ности в интеграле нрйфррме,: которое является уравнениетл тепловогЬ;баланса для участка среды ДЛИвого;оаланса для участка средЫ длячой X. IfIf :CjJttx,(KiEH(o;r8de x| te -bo ; : : -о- -;: . ... о . --. ... t : : .1-.-.--.... . . :где I (OitjelT - количество всваедцаеjГО тепла через слоя анализируемой за : -у.х / . время Г V ...; И;-. -...: . ;. : -.....: . ч.t(x, dx - среднее ПО длине количество тепла, 00которое накапливает ся участком средЫ( длиной X за вреf мя ; iMilX.CHi (О, trjar -среднее по длине J.. количество Tfiijeat, . ««° «р°«пе У«« ся участком среда X за We- МЯ Т Зафиксируем X -t и „,„ер.а..ре„.н„ tMU,Ct,,3. 54 3 Иг V й,(1.,ГЬио||СЛо1Т Ш1„гЬ Св,)сКГ; (31 } J .6Т .V Hxait m t (x,t: cixcix, (4) f .--- - ; (fi -%Hxdx - приращение парамет11 L« 00-П i pa 1| t{xjaxc3x за ин, J j ос тервал времени ГгГ-,ЧГ«1 $ х. ьт ZJ ft VU(t)ax приращение параметjJft pai j itxlojxdx 1 нн . Ов . тервал времени Со г . Тогда получим следуювде расчетные. определения теплопровод )®((,) . . - .: ТТ i|t(b3;bt( l|t(i,/r)-t((vcj}«;№ . я H объемной теплоемкости , . - . . . (Q.r,)-ft(Q.t--ir,) i uxгх if11 Л 1 | « | 3кох-V х, . -.:; . . .. . ГДв ..- - . ...... -Г Рf (. l«;LlO,tr)3C j S(OX-t)«j в,0г:)а«, J I ; 6Т, э til я I«° f ee слой исследуемой среда, соответотвенво f P «Vwl№S3i tix.r. - прирадвчие .в Р9- Uwdx«3x,sl|pm(x,dxdKit(x t JJ 1 It .11I .к 00 и ,, . 0 метра; U t(x)ax(x за интервал времени Гт f 1Я iQполученную из интерполяционного мноДля определения параметру.функциигочлена Лагранжа , I ,. i . . tn распределения TeMnepaTypa nt( n, UV (Jt) Л) jjи ТОЧНУЮ для многочленов степени m 00 ISгде представляет собой мноможно использовать приближённую формгочлены степени, определяемые pSмулувенства.«1 . о(Ч 1 ()()((-«).. iV oH4-Nb 4-ViH4-icH(,)подставив Ч 7 )в (4 ) и(б) получим - расстояние между . з« спаями дифференциальJ JJL ной термопары; 1 (x,1rj-tr,)L -г V, (tojk - коэффициент преоб . разования. QfOT 1-afOr-Т 1На выходе сумматора 11 имеют .д-ц Л 1 Л 3 1/ (уследующий сигнал )-(Ч.): u,«,,,(Vt,u,, (14, При измерении температур в точ-где температура на нижней торках х внутри слоя исследуемой среды «цовой поверхности камеры 1. возникают технологические трудное- ,На первый вход схемы отношения ти., связанные с вводом термочувстви-21 поступает напряжение тельных элементов в слой анализируе-- мой среды. Для многих практическихГ случаев при толщине и ее Ледуёмбго. Ли .r-cl-lti Лт)аг. й) слоя U 0,5-1 мм достаточную точ- 0Ug jl SbW $ J вы ность дает формулао У jr 2 2а на второй вход Ut(x)dxdxe ttOJ ta),(12) 45 Г ii.. -Г,.Г4. fi-utmlrilt-lltfUTbtJ)ldf, являкхдаяся частньм случаем ( 7 ) и V9) Яля m 1, Хр-0, x i.. Достоинст-Оt, BOM формулы (12) является отсутствие необходимости измерять теш1ературы 50 внутри слоя исследуемой среды.) о на йыходе тепломера 5 получают то сигнгш, пропорциональный тепловомуили , . : 55 (l.(V4fl-4,,с М«(Ч-))в зависимости от состояния ключей Bbixs I V т Z- и 19. , где t о t - температурил/изме- Cxef отнсняёния двух напряжений ренные соответствен-можно осу1аествйть с аналоговым но на верхней тор- 60или цифровым выходом. В первом довой поверхностислучае в цепи первого входа схема камеры 1 на рас- .отношений включается реохорд, напрястояниях в и 1/3б;жение с которого сравнивается с а . С - температуропровод-напряжений на втором входе, В моность 65J HT их равенства, что фиксируется .,(.j, (7j с помощью электронного усилителя и реверсивного двигателя, который перемещает движок.реохорда, получают о. ношение двух напряжений, т.е. Память, может быть осуществлена путем выключения реверсивного двига теля при подаче управляющего сигнала. В цифровом варианте вместо реохорда используется цифро-аналоговый преобразователь, который управляется через дешиф1)атор счетчиком импульсов. Измерение теплопроводности и обь емной теплоемкости происходит ххпеду кзщ образом., Камера 1 заполняется исследуемой средой. До начала измерения систему приводят в начальное состояние, т.е отсутствуют тепловой поток и неравн мерность распределения температуры в слое исследуемой среда. Исходное состояние ключей/ задаваемое нуль. индикатором 16: ключи 8 и 10, откры ты 7 и 9 закрыты. Подается напрязле ние на нагреватель 2. Тогда на инвертирующий вход интеграторов 13и поступают сигналы соответственно Г ,{T) f-(э) При достижении выходного напряж ния сумматора 11 нуля, т.е. когда 41.) нуль-индикатор 16 меняет свое состояние и открывает ключи 7 и 9 и закрывает ключи 8 и 10. В момент достижения нуля напряжением на вых де интегратора 13, что .фиксируется нуль-индикатором 17, триггер 20 принимает такое состояние, при Кот ром ключ 19 открыт, а 18 - закрыт т.е. на второй вход отношени 21 подается напряжение согласно формуле (17). Одновременно сигнал выхода элемента 17 с задер1жкой, которую выбирают в зависимости от быстродействия cxei«i отношения поступает на ячейку памяти, фиксируя отношение напряжений на первсм и втором входах схемы отношения 21 в момент равенства нулю напряже ния на выходе интегратора 13. Таким образом, происходит измерение объемной теплоемкости. Измерение теплопроводности происходит тот момент, когда напряжение на выходе сумматора принимает нулевое значение. Тогда повторяется процедура измерения отношения двух сигналов, только на второй вход схемы отношения подается напряжение с выхода интегратора 13, т.е. отношение двух напряжений фиксируется в момент времени, когда r.) . Таким образом,.последовательно во времени проводится измерение теплоемкости и теплопроводности., Для большей наглядности, но с большими затратами, можно использовать две схемы отношения. Тогда каждая из схем.измеряет и показывает свой, параметр. Измерения проводятся на датчике со следующими napaMeTpaNw: толщина слоя испытуемой среды L, 1 мм/ толщина тепломера С 1 мм; диаметр цилиндрической камеры и плоского нагревателя с1. 100 мм, материал датчика - стеклотекстолит, термочувствительный элемент - термопара медь-константан; нагреватель из медной проволоки ,05 мм, время измерё-ния 2-3 мин. В результате измерений получены следующие значения для дистиллированной воды Л 0,59 Вт/м..град ,110 ° Дж(м -град {справочные значения;Д 0,599 Вт/м град, С 4,187 () для поваренной соли с насыпной плотностью ,f) f 1200 кг/мЗ: Д о,22 Вт/ м-град, С 0,5б-10бдж м.град. Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют значительно упростить определение теплофизических свойств жидкообраэных и мелкодисперсных сред за счет простогр экспериментального оформления. Для проведения измерения по предлагаемому способу требуется датчик, состоящий из Камеры для заполнения исследуемой средой, пластину с известными теплофизическими свойствами, плоский нагреватель и термоэлектрические элементы.

1, Способопределения теплофизических свойств яшдкообраэных и мелколиспв{ сных сред, включаквдий воздействие одномерньхм тёпловьзм потоком иаиссле:ДУ€ ш11 слой, измерение SjpeMeRif и разности температур яовёрх{к с;ге41 ограничивающих слой, от л и чаю «и и с я тем, что, с-«елыоупрртен ия определения, дополнитёльнб измеряют количество тепла прошедшее через одну из оу раничиваюских йсследуе1Ф слой поверхностей/ приращения температуры в точках слоя за одни и те е интервалы времени и по измеренным параметрам опрёделяютискоиые свойства. 2. Устройство для определения теплофизических свойств жидкообразных и мелкодисперсных сред, содержащее камеру с изолированной боковой поверхностью плоский нагреватель расположенный сверху камеры, преобразователь разности TeNEEiepaTyp ТО ЩОВЁКК поверхностей камеры и ключи, о т ли ч а ю щ е ее я тем, что, с целью уп рейде ни я определения, в него дополнительно введены два ин-гегратора, три нуль-инд1й атора источник опорного напряжения, триггер, схема отношения двух сигналов, ячейка памяФИ линия задержки, преобразователь температуры одной из торцовых поверхностей камеры, тепломер, два сумматора, схема или, прмчем плосовой взсод первого сумматора соединен с првЬбразователей температу1мл и разности температур, а минусовой вход - с истоа- (м НИКОМ опорного напряжения и мину:с1овь ||уО fiii входс второго суьотатора, плюсовой |с вход которого соединен с вгиходом первого сумматора ; входом tiepBoro нуль-индикатора, котор управляет ключги и, замыкающими выосод TenjiOK pa И преобразователя раз носш темве- ратур, с иввертируюадим и неинвертирующим входами схютветствекно пефвого и BTojporo кнтёграторбв, причем выход первого интегратора соединен V .со .входом схемы от ношения г nixoe Которой подключён к ячейке памяти,. 00 Ш управляющий вход )ой соединен через линию задержки и сх