Устройство для определения теплофизических параметров веществ Советский патент 1984 года по МПК G01N25/18 

3 2

хг/

SD

ND

:л

:х)

-9

7

Ь

-2

7

Изобретение относится к устройствам для исследования теплофизических параметров веществ, в частности к геофизическим исследованиям проб .донных отложений, взятых грунтовыми трубками, скважинным геофизически исследованиям и лаборат орным исследованиям на образцах.

Известно устройство для определения теплофизических параметров веществ, включающее цилиндрический зонд, внедряемый в исследуемый образец, и датчик температуры, измеряющий температуру зойда в процессе эксперимента l

Недостатком данного устройства является малая начальная разность температур между зондом и исследуемым веществом и соответственно низкая точность определения теплофизических параметров. .

Наиболее близк1 м к изобретению является устройство для определения теплофизических параметров веществ, включающее нагревательный элемент,. соединенный с источником.питания,. и датчик температуры, расположенный на пйверхности нагревательного элемента. Нагревательный элемент выполнен в виде спирали, через которую протекает электрический тоу от исто ника электрической энергии. Спираль находится внутри.цилиндрического .ме таллического зонда, помещаемого в и следуемую среду, на тговерхности зон да расположен датчик температуры.. При протекании через спираль электрического тока тепло распространяеся в окружающую среду J2j ,

Однако для измерения теплофизических свойств исследуемого вещества S известном устройстве необходиМО нагреть достаточно большой объем вещества, что требует длительного времени и соответственно снижает производительность работ и увеличивает их стоимость. Кроме того, при изу чении влагонасыщенных сред длительный нагрев исследуемых образцов приводит к потере точности определения их теплофизических параметров вследствие того, что в условиях длительного нагрева во влагонасыщенных породах развиваются процессы массовлагопереноса, тем самым нарушаются условия, лежащие в самой основе метода определения теплофизических параметров.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения теплофизических параметров, включающем нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента, последний состоит из двух подключенных к импульсному источнику питания электродов в виде коаксиальных полых цилиндров, причем внешний электрод помещен в термостат, внутренняя поверхность внутреннего электрода покрыта теплоизоляцией, а датчик температуры расположен на его внешней поверхности-.

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

Система из двух электродов .1 и 2 ;представляющих коаксиальные полые цилиндры, подключена с помощью проводЬв 3 и ключа 4 к импульсному источнику питания 5. В рабочем состоянии образец б исследуем9го вещества заполняет межэлектродное пространство, датчик 7 температуры находит.ся на поверхности электродов 2, теплоизолированных с помощью прокладок 8, выполненных из теплоизоля . ционного материала, например .пеног. пласта. Электроды 1 термостдтиррваны путем помещения их в тер остатсирующее устройство 9. Исследуемый образец имеет теплопроводность 7i , температуропроводность St г удельную теплоемкость С, плотнссть о и электропроводность 6 .

Устройство работает следующим образом.

В момент t О ключ 4 замыкается, и в исследуемом образце 6 .начиадет . протекать ток. В .«омент t . to клюя размыкается, так что длительностьимпульса тока составляет t . .в рё.гзультате протекания тока происходит нагрев образца, при этом изменение избыточной температуры Т образца описывается уравнением

/гс-Ц -ЛйТ те,

(1)

где Ь31х,чд,1),

Е(к,у,7;Л)-соответственно плотность тока и напряженность электрического поля; г 1 У, 2: - координаты точек образца;

U - лапласиан.

Если длительность io импульса электрического тока мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температур по объему образца вследствие теплопроводности, то уравнение (1) распадается на два

рс |1 «ЗЕ при Ott6t

(2)

9t

рс 1 А uT при 1 г t о (3)

Поскольку в предлагаемом устройстве имеет место радиальное распределение электрического поля, т.е все компоненты как электрического так и температурного поля зависят только от расстояния г до оси цилиндра, то уравнение (2) в этом с чае должно быть записано в виде )-E(p,i), где напряженность Е (,i.) связан напряжением импульсного источник и (Ч) соотношением .EKt,.. . и (, t) удовлетворяет следующим г личным условиям n( .t)) Р ,1)«0 при г Ь Уравнение (3) для случая радиа ной симметрии принимает вид -1-J-(,3TV3T per apv ar.l at с граничными условиями 0 при rsci Т(рД)-0 при Решая .(4) с учетом (5) и (6) , чаем Т1гЛ„)Д . PC avenb/alTl) где Wlto - электрическая эн гия , выделившаяс за время io в цил рическом кольце, полненном исследу мым образом; b - радиус внешнего ц линдрического эл трода; а - радиус внутренне цилиндрического электрода; eJf а L - объем внутренней цилиндрической п лости; Ь - высота цилиндров Измерив температуру Т CQ,to) н поверхности внутреннего цилиндра момент окончания импульса тока, но определить объемную теплоемко «/ J Iii5l nav9n Ыа-ТЮЛоГ Зная вес исследуемого образца, можно получить и значение удельной теплое лкости. Решая уравнение (7) с учетом граничных условий (8), получаем формулу для расчета теоретической кривой VPjt.pl , где ИР-Р/О; TCr.,t,p)T(,i,p)/TU.toV,)/-a где эе - коэффициент температуропроводности . Если проводить измерения температуры на стенке внутреннего цилиндрического электрода .-0 то теоретическая кривая т С Л, р) есть - фун.кция только безразмерного времени t и постоянного для данного устройства параметра Р . Следовательно, располагая теоретической кривой T(,t) можно определить коэффициент температуропроводности следующим образом; определяются соответственно тeм- температуры Т и т по поверхности сферического электрода в моменты t -t и - t,io. по измеренному значению Т «Т 11,0), теоретической кривой (для данного значения р ) Т (1,-1) Т- (bt)/To и времени-li определяют абсциссу i, точки на теоретической кривой, ордината которой Т ( Д)/TO ; определяют коэффициент температуропрбводностиae i,a4 Зная величины Х и рс , можно оп ределить и коэффициент теплопроводгности J К рс .... Принципиальным для предлагаемого устройства является создание радиально-симметричных электрического и температурного полей. Отличие реальных полей от радиально-симметричных или плоских обусловлено конечной высотой цилиндрических электродов. Оценка степени этого отклонения проведена расчетным путем по методу электростатических аналогий при анализе распределения поля в цилиндрических конденсаторах.Отличие поля от радиально-симметричного не превышает 1% в случае, когда выполняется условие L/(fc-oU3 Для оценки длительности нагрева fcp , т.е. длительности импульса тока и величины избыточной температу{%, рассмотрим практически значимый случай измерения свойств влагонасыщенных илов: о 4 {Ом м)- ; рс 0,5 кал/см град; электрический ток пропускается через систему коаксиальных цилиндрических электродов высотой L 5 см с радиусами см иа см, т.е. толщина образца - 1 см, импульс тока реализуется 1утем разряда конденсатора емкостью 50 мкФ, заряженного до напряжения 100 В. Сопротивление,цилиндрического образца равноjR enU/ali 0.5 Он/

5 11229536

Тогда эффективная длительность токасоставляет в этих условиях 3-10 с,

, за которую в среде выде-в то время как в известном устройстляется 99.8% энергии Мо «си/2, сое-ве 5-15 мин. тавляет 7 мс. При этом температура

tCa,) на поверхности внутреннегоИспользование предлагаемого споэлектрода увеличивается на -0,05®С.5 соба в сравнении с известным обеспеВремя измерения для определения ко-чивает повышение точности и уменьшеэффициента температуропроводностиние времени наблюдений.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ, включающее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерений, нагревательный элемент состоит из двух подключенных к импульсному источнику питания электродов в виде коаксиальных полых цилиндров, причем внешний электрод помещен в термостат, внутренняя поверхность внутреннего электрода покрыта теплоизоляцией, а датчик тем- , пературы расположен на его внешней поверхности.