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

t

Изобретение относится к исследованию теплофизических параметров, в частности к геофизическим исследованиям на акваториях с целью определения физических характеристик донных осадков, при этом определяемыми парвметрами являются коэффициенты температуропроводности5объемная теплоемкость и коэффициент теплопроводности.

Известно устройство для определения теплофизических параметров веществ при исследованиях на акваториях, состоящее из цилиндрического изотермического зонда, внедряемого в исследуемую .среду, и датчика температуры, фиксирующего изменение температуры зонда в среде ij .

Недостатком данного -устройства является отсутствие активного нагревательного элемента, позволяющего создавать необходимую для точных : измерений регулируемую разность температур среды и зонда. Этот недостаток особенно существенен при ист следовании свойств придонных грунтов на акваториях. В этом случае начальная температура зонда равна температуре придонного слоя воды. Следствием этого является малая начальная разность температур зонда и среды и соответственно низкая точность определения теплофизических параметров.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения теплофизических параметров веществ, включающее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный нэ поверхности нагревательного элемента.

Нагревательный элемент выполнен в виде спирали, через которую протекает электрический ток от источника электрической энергии. Спираль находится внутри цилиндрического металлического зонда, помещаемого в исследуемую среду, на поверхности зочда расположен датчик температуры. При протекании через спираль электрического тока тепло распространяется в окружающую среду. Для измерения теплофизических свойств необходимо нагреть достаточно большой объем среды таким образом, чтобы температура его значительно отличалась от первоначальной 2 .

Недостатком известного устройств является то, что.при излучении вла229542

гонасыщенных сред, какими являются в большинстве случаев придонные отложения, длительный нагрев исследуемых сред, который необходим для норJ мальной работы известного устройства, приводит к потере точности определения их теплофизичес.ких параметров. Это связано с тем, что в условиях дли тельного нагрева во влагонасыщенных

10 средах равиваются процессы массовлагопереноса, тем самым нарушаются условия, лежащие в основе самого метода определения теплофизических свойств Целью изобретения является уменьj шение времени измерений и повьшение их точности. .

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения теплофизических параметров, содержа-

0 щем нагревательный элемент, соедлненный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента последний вьшолнен в виде двух элек5 тродов, соединенных с импульсным источником питания, при этом датчик температуры расположен на поверхности одного из электродов, выполненного в форме полой сферы из электрод и теплопрозодящего материала.

При пропускании импiльcнoгo электрического тока через электроды осу ществляется практически мгновенный нагрев исследуемой среды и, следовательно, сокращается время экспери ментами повьшается его точность.

Hd чертеже изображено предлагаемое устройство.

Система из двух электродов, один из которых представляет собой полую

электро- и теплопроводящую сферу 1 радиуса, а второй - электрод произвольной формы 2, подключена с помощью проводов 3 и ключа 4 к импульсному источнику тока 5. В рабочем по ложении оба электрода помещены в

исследуемую среду 6, имеющую тепло- . проводность Л , температуропроводность ЭС , удельную теплоемкость С,плотность р и электропроводность Ci

0 Датчик температуры 7 расположен на внешней поверхности электрода 1.

Устройство работает следующим образом.

В момент t 0 ключ 4 замыкается,

5 и в исследуемой среде начинает проте-. кать ток, в момент о ключ 4 размыкается, так что длительность импульса тока составляет tg. 3 В результате протекания тока происходит нагрев среды, при этом изменение избыточной температуры Т среды описывается уравнением pCg.TlM.yE, (1) 3i где ,V : i U.y..i) иЕ E(x,ij,j;,-t) - плотность тока н пряженность электрического поля соответственно, X,|j,Z - координаты Фочек среды; U - лапласиан. В предлагаемом устройстве один из электродов является полой сферой, а второй имеет площадь поверх ности, намного превосходящую площа сферического электрода. В случае, когда он удален от сферического эл тр(ща на расстояние, намного прево ходящее его радиус d , задача сводится к нагреву среды при стекании тока с одиночного сферического эле трода. Ураен ение (1) соответственно примет вид.. зт -Л а/ 73т 3F)J (2) где Г - координата точек среды, т ее расстояние до центра сферическо электрода, j (гД) ,Б t (in.tJ . Для уравнения (2) имеет место следующее граничное условие при о о .

Кроме того, поскольку длительность протекания тока ограничена, то справедливо выражение

Т(Ь,Ь)0 при г Ь - 00 (4) Плотность тока, стекающего со сферического электрода, равна

;/

(5)

jb.

где .UIt)- разность потенциалов между

электродами.

Если длительность t импульса электрического тока мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температуры по объему среды . вследствие теплопроводности, то урав.нейие (2) распадается на два

) (6)

мерные коэффициенты; «Cj - величина, определяемая из уравнения (к(Ь-а|)1 Таким образом, нормированная температура измеренная на границе нагреваемого сферического электрода, есть функция безразмерного времени -t и некоторого произвольного параметра t - (b-uJ/a. Поскольку температура при падает очень быстро, то избыточная температура Т практически равна нулю при любых -t . Следовательно, располагая теоретической кривой Т (1 , , можно определить коэффициент температуропроводности следующим образом:

а) определяются температуры на поверхности сферического электрода в моменты t .f, и t - соответственно TQ и Т , 54 Fr(lT). (J). Тогда из t.6) , с учетом равенства (5)и условия Tlr.U- - lVuV4Ada dt - 4Аг 1 VpcVf/ )- электрическая энергия, выделившаяся за время tg протекания импульсного элек- трического тока; v- т-« Измеряя TeNfflepaTypy Т(а,to) на поверх ности сферического электрода, можно определить объемную теплоемкость исследуемой среды ( « Из уравнения С7), решая его стандартным методом разделения переменных и вводя безразмерные параметры, получим на границе сферического электрода r{f,i)Ttub-| e,e- ° Si«ei,ae, (9) где I F-rJa-,e ib-a)|a.3e(i-ioya ti,t) ,T,Tla,)l3Vpc,j f в1пЛка6(х-11 } , . безразб) по измеренному значению 1

Т(1,0, теоретической кривой Т(1.1)Т(|,|) Tg и времени-V определяют абсциссц t точки на теоретической кривой, ордината которой ест

Т()/То;

в) определяют коэффициент температуропроводности

« l,,.

Зная величины Э€ и р. можно рпре делить и коэффициент теплопроводности 3ерс. .

Принципиальным для данного устройства является создание сферичес си симметричного электрического поля, что достигается не только основного, измерительного электрода в виде сферы, но и в отнесении второго электрода бесконечность Для оценки величины необходимых межэйектродных расстояний воспользуемся выражением для потенциала сферического электрода, помещенного в среду с удельным электрическим сопротивлением ( (.3 ),

и и,/о, где и

потенциан в среде на расстонии р от сферического электрода; .

-М° 417а

- „ .потенциал на поверхности Ч«ба

сферического электрода,

имеющего радиус d, - ток, протекающий через

электрод.

Таким образом, электрическое поле, создаваемое при протекании через сферический электрод тока и распространения его в среде, является сферически симметричным, следовательно, сферически симметричным яв-ляется и распределение тмпературного поля в соответствии с уравнением

Сб).

Если же на расстоянии S от сферического электрода расположен второй электрод сферической формы с те же радиусом Q , то сферическая симметрия электрического и температурного поля нарушается, поскольку потенциал электрического поля на расстоянии от первого электрода равен

()-

Из равентста (10) видно,что приизмерении на поверхности электрода.

когда г q, отличие поля U,.(a) от сферического не будет превьпиать 10%, если межэлектрическое расстояние 5 оставляет не менее 10 радиусов Q электрода. Полученную оценку можно обобщить на случай, когда второй электрод имеет произвольную форму (сфера, плоскость, диск, цилиндр).

Далее важно выбрать соотношение

размеров электродов таким, чтобы основная часть электрической энергии импульса Vl|io вьщелялась вблизи основного, сферического электрода. Так как доля выделяемой электрической энергии пропорциональна сопротивлению заземления электродов, а эти сопротивления, в свою очередь обратно пропорциональны площади поверхности, то при условии пятипроцентной потери электрической энергий площадь электрода произвольной формы должна не менее чем в 20 раз превышать площадь основного сферического электрода.

Длительность нагрева tg и величина избыточной температуры могут . быть оценены из следущих соображений: измерительный электрод с радиусом Q 0,5 см помещен в морские илы с d 4(0мм) ,5 кал/смтрад; электрический ток через электроды пропускается путем разряда конденсатора емкостью мкФ, заряженного до напряжения UQ 10UB сопротивление заземления f 50 Ом. Тог да эффективная длительность тока to 3(5С, за которую в.среде выделяется 99,8% энергии No CU /2, составит 6 мс. при этом температура T(o,io на поверхности электрода увеличится на 0,. При уменьшении Q до 0,4 см время i увеличится до 8 мс, а скачок температуры - до 0,18 С. За время i прогревается шаровой слой толщиной 2,2Q , причем на внешней границе слоя температура составит 0,01 ).. Время измерения для определения коэффициента температуропроводности составит в этих условиях 3-10 с, в то время кал для прототипа время измерений .составляет 5-15 мин,

Использование данного устройства в сравнении с прототипом обеспечивае повышение точности и уменьшение времени наблюдений за счет выполнения

7n 229548 .

нагревательного элемента из двух риала, а также за счет пропускания электродов, один из которых - полая через электрбды импульсного электрисфера электротеплопроводящего мате- ческого тока.

УСТРОЙСТЮ ДНЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ . ТЕШ10ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ, содержащее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на нагревательном элементе, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени измерений и повышения точности, нагревательньй элемент выполнен в виде двух электродов соединенных с импульсным источником питания, при этом датчик температуры расположен на поверхности одного из электродов, выпрлненного в форме полой сферы из электро- и теплопроводящего материала. S (О Is9 Ф