Устройство для определения теплопроводности материалов Советский патент 1984 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплопроводности материалов, в том числе горных пород. Известно устройство для определе ния теплопроводности материалов, содержащее два приводимых в тепловой контакт измерительных блока, в одном из которых размещен электрический нагреватель, а в другом - тепломер, состоящий из контактной медной плас тины, в которой монтируются термо- пара и спаи термобатареи, и рабочего слоя, а также защитные теплоизолирую щие оболочки, гальванометр и термометр 1. Недостатками этого устройства явл ются низкая точность определения теп лопроводности высокотеплопроводных образцов и образцов горных пород, дл которых характерны значительная тре.щиноватость, пористость, зернистость из-за влияния контактного теплового сопротивления исследуемых тел на результаты измерений 2 , а также низ кая производительность вследствие большой продолжительности процесса одного измерения, составляющей едини цы минут, Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемо му результату является устройство для определения теплопроводности материа лов, содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, сосредоточенный источник Депловой энергии, радиометр и аналого вый регистратор, входом подключенный к выходу радиометра , 3, Недостатками известного устройства являются низкая производительность, обусловленная тем, что устройство позволяет определять избыточные температуры нагреваемых поверхностей ис следуемых образцов, необходимые для .определения их теплопроводности, лишь в результате двукратного процесса перемещения платформы с образцами относительно радиометра (сначала с выключенным источником энергии, а затем с включенным), а также низкая точность, обусловленная тем, что устройство из-за отсутствия в нем эталон ного образца с известной теплопроводностью позволяет проводить лишь качественную оценку теплопроводности исследуемых образцов, не обеспечивая возможности получения количест.ве.ннух. значений теплопроводности. Цель изобретения - повышение производительности устройства-и точн ости определения теплопроводности мате риалов. Поставленная цель достигается тем что в устройство для определения .теплопроводности материалов, содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, сосредоточенный источник тепловой энергии, радиометр и аналоговый регистратор, введены второй радиометр, выходом подключенньй к второму- входу аналогового регистратора, эталонный образец с известной теплопроводностью, закрепленный на подвижной платформе, два датчика-ограничителя перемещения платформы, три триггера, элемент ИЛИ и шина- Пуск, причем первый вход привода платформы подключен к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен с выходом первого датчикаограничителя, нулевым входом второго и первым входом элемента ИЛИ, второй вход привода платформы подключен к единичному выходу второго триггера, единичный вход которого соединен с выходом второго/ датчика - ограничителя, нулевым входом первого триггера и вторым входом элемента ИЛИ, а третий вход привода платформы подключен к управляющему входу аналогового регистратора и единичному выходу третьего триггера, единичный вход которого подключен К шине Пуск, а нулевой вход - к выходу элементаИЛИ, На .чертеже пр.едставлена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство для определения теплопроводности твердых тел содержит подвижную платформу 1 с закрепленным на ней эталонным образцом- 2 с изве;стной теплопроводностью, привод 3 платформы, сосредоточенный источник 4 тепловой энергии, радиометры 5 и 6, аналоговый регистратор 7, датчики-ограничители 8 и 9 перемещения платформы, триггеры 10, 11 и 12, элемент ИЛИ 13 и шину Пуск 14. , Платформа 1 с закрепленным на ней эталонным образцом 2 механически связана с приводом 3. Первый вход привода платформы соединен с единичным выходом триггера 10. Единичный вх.од триггера 10 подключен к выходу датчика-ограничителя 8 перемещения платформы, нулевому входу триггера 12 и первому входу элемента ИЛИ 13. Второй вход привода 3 соединен с единичным выходом триггера 12, Единичный вход триггера 12 подключен к-выходу датчика-ограничителя 9, нулевому входу триггера 10 и второму входу элемента ИЛИ 13, Третий вход привода 3 соединен с управляющим входом аналогового регистратора 7 и единичным выходом, триггера 11, единичный вход которого подключен к шине Пуск 14 , а нулевой вход - к выходу элемента ИЛИ 13, Выход радиометра 5 подключен к первому входу аналогового регистратора 7, а выход радиометра 6 - к второму входу аналогового регистратора 7. Исследуемые образцы 15-1, 15-2, ..., 15-п располагают на платформе 1 последовательно с эталонным об разцам 2. Эталонный и исследуемые образцы устанавливают так, чтобы ИХ рабочие поверхности были перпендикулярны оптическим осям сосредоточенного источника 4 ,и радиометров 5 и 6, Сосредоточенный источник 4 и радиметры 5 и 6, устанавливаются таким образом, чтобы нагрев эталонного и исследуемых образцов и регистрация температуры их рабочих поверхностей происходили по одной прямой. Для установки устройства в исход ное состояние платформа 1 с располо женными на ней образцами приводится в контакт с одним из датчиков-огран чителей перемещения платформы, напр мер, с датчиком-ограничителем 8. При этом на выходе указанного датчи ка появляется сигнал, которым триггер 10 устанавливается в единичное состояние, а триггеры 11 и 12 - в нулевое. Единичный сигнал с выхода триггера 10, поступая на первый вход привода 3, переводит привод в режим перемещения платформы 1 в направлении от датчика 8 к датчику 9i Нулевой сигнал с выхода триггера 11, поступая на третий вход привода 3, запрещает перемещение платформы 1 и, поступая на управляю щий вход аналогового регистратора обеспечивает выключенное состояние его лентопротяжного, механизма (или устройства развертки). При поступлении запускающего си нала на шину Пуск 14 триггер 11 переключается- в единичное состояни Единичный сигнал с его выходи, пос тупая на третий вход привода 3, ра решает перемещение платформы 1 с образцами, она начинает равномерно перемещаться относительно сосредоточенного источника 4 и радиометров 5 и б по направлению к датчику ограничителю 9. Кроме того, единич ный сигнал с выхода триггера 11, п тупая на управляющий вход аналогов .го регистратора 7, включает его лентопротяжный механизм (устройств развертки). При перемещении платфо мы 1 радиометр 5 последовательно регистрирует температуру рабочих поверхностей ненагретых эталонного и исследуемыХ15-1, 15-2, ..., 15образцов, а радиометр 6 регистриру ет температуру рабочих поверхносте рассматриваемых тел их нагрева сос редоточенным источником 4 тепловой энергии. Выходные сигналы радиометра 5, уровни которых пропорциональны тем пературам рабочих поверхностей ненагретых образцов, т.е. их начальным температурам, регистрируются на носителе информации аналогового регистратора 7 в первом канале, а вы-, ходные сигналы радиометра 6, уровни которых пропорциональны температурам рабочих поверхностей нагретых образцов, - во втором канале. При достижении платформой 1 датчика-ограничителя 9 (это происходит после того, как последний из серии исследуемых образцов выйдет из поля зрения радиометра 6 на его выходе появляется сигнал, которым триггер 12 устанавливается в единичное состояние, а триггеры 10 и 11 - в нулевое. Единичный сигнал с выхода триггера 12, поступая на второй вход привода 3, переводит привод в режим перемещения платформы 1 от датчика 9 к датчику 8. Пулевой сигнал с выхода триггера 11, поступая на третий вход привода 3, запрещает перемещение платформы 1 и, поступая на управляющий вход аналогового регистратора 7, выключает его лентопротяжный механизм (устройство развертки), прекращая перемещения носителя информации . После установки на платформу 1 новой серии исследуемых образцов устройство готово к следующему процессу измерений. В этом случае при поступлении запускающего сигнала на шину Пуск 14 перемещение платформы 1 с образцг ми происходит по направлению к датчику-ограничителю 8, причем радиометр 6 регистрирует начальные температуры рабочих поверхностей образцов, а радиометр 5температуры этих поверхностей после их нагрева сосредоточенным источником 4 тепловой энергии. По окончании каждого процесса измерений на носителе информации аналогового регистратора (например, на диаграммной ленте ) будут зарегистрированы две последовательности сигналов, одна из которых соответствует начальным температурам рабочих поверхностей установленных на подвижной платформе образцов, а другая - их температурам после нагрева. Для каждого из исследуеiMbJx образцов и эталонного образца разность уровней сигналов, соответствующих нагретом и ненагретому состояниям, пропорциональна избыточной температуре рабочей поверхности образца. Известно, что для описанного режима нагрева образцов и регистрации температуры их рабочих поверхностей справедлива .Формула 9, оУр %гб где fp эг коэффициенты теплопро водности соответственно исследуемого н эталонного образцов бр5р,0 - избыточные температу . ры рабочих поверхностей соответственно ис следуемого и эталонно го образцов. Таким образом, предложенное устройство путем определения избыточных температур рабочих поверхностей исследуегиых образцов 15-1, 15-2, ..., 15-п и , эталонного образца 2. : позволяет, используя указанную формулу, определить теплопроводность .каждого из исследуемых обрад.цов, , Предложенное устройство посравнению с устройством-прототивдм облд дает вдвое большей производитель:ностью, позволяя определять избыточ ные температуры образцов при одно.кратном переме-щении платформы отно сительно радиометров, . а также большей точностью, поскольку наличие в составе устройства эталонного образца с известной теплопроводностью позволяет получать количественные значения теплопроводности исследуемых образцов. В лабораторном макете предложенного устройства в качестве сосредоточенного источника тепловой энергии использовался лазер типа ИЛГН705, Площадь пятна нагрева не превышала 3 мм. В качестве бесконтакт-, ных измерителей температуры поверхностей образцов использовались лабораторные радиометры, имеющие спект- . ральный диапазон 2-20 мкм и разрешающую способность по температуре ОД К„ Размеры площадки, с которой радиометры воспринимали тепловое излучение, 1 мм. В приводе платформы использовался электродвигатель .постоянного тока. Изменение режима работы привода осуществлялось коммутацией напряжения питания электродвигателя о Случайная погрешность измерений коэфсрициента теплопроводности исследуем1лх образцов в диапазоне 1 15 Вт/м К не превышала 2-3%. Для выравнивания излучательной способности йссл.едуемых образцов на рабочую поверхностькаждого образца наносилось специальное покрытие, имеющее коэффициент излучения близкий к единице,, толщиной 10-20 мкм. При изменении качества обработки поверхности образца от полированной поверхности до шер оховатой со среднеквадратическим значением шероховатости 1 мм результаты измерений коэффициента теплопроводности не выходили за пределы случайной погрешности , .

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, сосредоточенный источник те ловой энергии, радиометр и аналого вый регистратор, входом подключенный к выходу радиометра, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности устройства и точности определения теплопроводногти, в него введены второй радиометр, выходом подключенный к второму входу аналогового регистратора, эталонный образец с известной теплопроводностью, закрепленный на подвижной платформе, два датчикаограничителя перемещения платформы, три триггера, элемент ИЛИ и ши-. на Пуск, причем первый вход привода платформы подключен к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен с выходом первого датчика -ограничителя, нулевым входом второго триггера и первым входом элемента ИЛИ, второй вход привода платформы подключен к единичному выходу второго триггера, единичный вход которого соединен с выходом второго датчика-ограничителя, нулевым входом первого триггера и вторым ВХОДОМ элемента ИЛИ, а третий вход привода платформы подключен к управляющему входу аналогового регистратора и единичному выходу третьего триггера, единичный .вход которого подключен к шине Пуск, а нулевой вход - к выходу элемента ИЛИ.