Устройство для комплексного измерения теплопроводности и теплоемкости материалов Советский патент 1984 года по МПК G01N25/18 

1 Изобретение относится к измерению теплофизических характеристик м териалов и может быть использоваио для исследования температурной зави симости коэффициента теплопроводно ти и удельной теплоемкости С раз личных материалов. Известно устройство для комплекс ного измерения теплопроводности и теплоемкости материалов, состоящее из теплозащитной оболочки и измерительного ядра, включанщего нагревательный блок с основанием, на котором смонтирован тепломер, пластину и адиабатическую оболочку, снабженную нагревателем, температура которой с помощью регулятора, .выход которого подключен к нагревателю, и дифференциальной термопары со спаями в пластине и адиабатической оболочке, подключенной к входу регулятора, поддерживается равной температуре пластины. При проведении измерений образец устанавливается между тепломером и пластиной, ас помощью нагревательного блока осуществляется его монотонный разогрев м . Недостатком устройства является ограниченная точность, обусловленная измерением теплового потока с помощью тепломера, требующего граду ровки по образцовым мерам, долей не учтенного теплового потока с боковой поверхности образца вследствие адиабатиэации по температуре пласти ны,а также отличием условий эксперимента на двух стадиях испытания от оптимальных. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для комплексно го измерения теплофизических характеристик матернаилов, состоящее из внешней адиабатической оболочки с нагревателема внутри которой распо ложена первая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки на одну из контактных плоскостей об разца, первой дифференциальной термопары со спаями во внешней адиабат ческой оболочке и первой теплопрово дящей пластине, второй дифференциальной термопары, один из спаев которой расположен в первой теплопроводящей пластине, и двух регуляторо температуры, причем выходы первого подк,паочены к нагревателю внешней адиабатической оболочки, а к входам 22 второго, выходы которого подключены к нагревателю первой теплопроводящей пластины, подключена вторая дифференциальная термопара. При проведении измерений образец устанавливается . между тепломером и пластиной. С помощью нагревательного блока осуществляется монотонный разогрев, на фоке которого периодически устанавливается перепад на образце 5-50 К для измерения и нулевой для измерения С 2 . Недостатком данного устройства является ограниченная точность, обусловленная измерением теплового потока с помощью тепломера, требукнцего градуировки по образцовым мерам, а также долей неучтенного теплово о. потока с боковой поверхности образцу вследствие адиабатизации по температуре пластины. Цель изобретения - повьшение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для комплексного измерения теплопроводности и теплоемкости материалов, состоящее из внешней адиабатической оболочки с нагревателем, внутри которой расположена первая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки на одну из контактных плоскостей образца, первой дифференциальной термопары со спаями во внешней адиабатической оболочке и первой теплопроводящей пластине, второй дифференциальной термопары, один из спаев которой расположен в первой теплопроводящей пласти.-не, и двух регуляторов температуры, причем выходы первого подключены к нагревателю внешней адиабатической оболочки, а к входам второго, выходы которого подключены к нагревателю первой теплопроводящей пластины, подключена вторая дифференциальная термопара, дополнительно введены вторая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки на противоположную контактную плоскость образца, задатчик скорости нагрева, подключенный к нагревателю второй теплопроводящей пластины, сумматор, выходы которого подключены к входам первого регулятора температуры, адиабатическая оболочка первой теплопроводящей пластины с нагревателем, окружающая первую теплопроводящую пластину до плоскости ее контакта с образцом. J адиабатическая оболочка второй теплопроводящей пластины с нагревателе окружающая вторую теплопроводящую пластину до плоскости ее контакта образцом, третья дифференциальная термопара со спаями в первой теплопроводящей пластине и адиабатическо оболочке первой пластины, четвертая дифференциальная термопара со спаям во второй теплопроводящей пластине и адиабатической ободочке второй пластины, третий регулятор температуры, входы которого подключены к третьей дифференциальной термопаре, а выходы - к нагревателю адиабатиче кой оболочки первой теплопроводящей пластины, и четвертьА регулятор тем пературы, входы которого подключены к четвертой дифференциальной термоп ре а выходы - к нагревателю адиаба тической оболочки второй теплопроводящей пластины, кроме того, перва дифференциальная термопара подключена к первым входам сумматора, а вторая, свободньй спай которой поме щен во вторую теплопроводящую пластину, подключена дополнительно к вторым входам сумматора. На чертеже схематически изображе но предлагаемое устройство, общий Устройство содержит внешнюю адиа батическую оболочку 1 с нагревателем 2, внутри которой расположены первая теплопроводящая пластина 3 с нагревателем .4, вторая теплопроводя щая пластина 5 с нагревателем 6, прилегающие к противоположным контактньм плоскостям образца 7, адиабатическая оболочка 8 первой теплопроводящей пластины 3, снабженная нагревателем 9, и адиабатическая оболочка 10 второй теплопроводящей пластины 5, снабженная нагревате.«лем 11. Адиабатическая оболочка 8 первой теплопроводяще - пластины 3 окружает зту пластину до плоскости ее контакта с образцом 7 и зафиксирована на ней с воздушным зазором с помощью штифтов 12, а адиабатическа оболочка 10 второй теплопроводящей пластины 5 окружает указаиную пластину до плоскости fee контакта с образцом 7 и зафиксирована на ней с воздушным зазором с помощью штифтов 13. Адиабатическая оболочка 10 второй теплопроводящей пластины 5 524 снабжена двумя неподвижно закрепленными в ней направляющими 14, а ади абатическая оболочка 8 первой теплопроводящей пластины 3 имеет дв& отверстия и может свободно перемещаться в осевом направлении по направляющим 14. Первая дифференциальная термопара 15, спаи которой расположены во внешней адиабатической оболочке I и первой теплопроводящей пластиие 3,. подключена к первым входам сумматора 16, а вторая дифференциальнаятермопара 17, спаи которой расположены в первой теплопроводящей пластине 3 и второй теплопроводящей пластине 5, подключена к вторым входам сумматора 16 и к входам второго регулятора 18 температуры. К входам перв.ого регулятора 19 температутэы подключены выходы сумматора 16, вырабатьвающего электрический сигнал, пропорциональньй разности между температурой внешней адиабатической оболочки 1 и средним арифметическим температур на контактных плоскостях образца 7 путем сложения электрических сигналов первой дифференциальной термопары 15 и второй дифференциальной термопары 17 в соотношении 2:1. Первый регулятор 19 температуры, выходы которого подключены к нагревателю 2 внешней адиабатической оболочки 1, обеспечивает поддержание температуры этой обопсг ки, равной среднему арифметическому температур на конт. тактных плоскостях образца 7, а второй регулятор 18 температуры, выходы которого подключены к нагревателю 4 первой теплопроводящей пластины 3, обеспечивает поддержание заданного перепада температур на контактных ПЛОСКОСТЯХ образца 7. Нагреватель 6 второй теплопроводящей пластины 5, подключенный к выходам задатчика 20 скорости нагрева, который представляет собой стабилизированный источник постоянного напряжения с регулируемым напряжением на выходах, являг ется ведущим и определяет скорость разогрева образца 7 в устройстве. Третий регулятор 21 температуры, к ходам которого подключена третья ифференциальная термопара 22 со спами в первой теплопроводящей пласине 3 и адиабатической оболочке 8 ервой теплопроводящей пластины 3, к выходам - нагревателю 9 адиабаической оболочки 8 первой теплопроводящей пластины 3, обеспечивает адиабатические условия первой тепло проводящей пластины 3, а четвертый peгyляtop 23 температуры, к входам которого подключена четвертая диффе ренциальная термопара 24 со спаями во второй теплопроводящей пластине и адиабатической оболочке 10 второ теплопроводящей пластины 5, а к выходам - нагреватель 11 адиабатическ оболочки 10 второй теплопроводящей пластины 5, обеспечивает адиабатические условия второй теплопроводящей пластийы 5. Внешняя адиабатичес кая оболочка 1 обеспечивает условие минимизации суммарного теплового по тока с боковой поверхности образца 7, а также облегчает работу нагревателей 9 и 11 адиабатических обо лочек 8 и 10 первой и второй теплопроводящих пластин 3 и 5 соответственно, создавая температурный фон с градиентом, равным половине переп да температур на контактных плоскостях образца 7. Внешняя адиабатическая оболочка конструктивно выполнена в виде полого цилиндра, что дает возможность свободного доступа в зону расположения образца 7 при его земене после осевого смещения внешней адиабатической оболочки 1. Такое техническое решение ста л о возможным благодаря наличию адиа батических оболочек 8 и 10 первой и второй теплопроводящих пластин 3 и соответственно, экранирукнцих торцовые поверхности, не замкнутые внеш ней адиабатической оболочкой 1. Устройство работает следующим об разом. На вторуь теплопроводящую пластину 5 устанавливается испытуемый образец 7, на который по напрявляющим 14 опускается первая теплопрово дящая пластина 3с адиабатической оболочкой 8 -первой теплопроводящей пластины 3, после чего снаружи одеяается внешняя адиабатическая оболочка 1. Устройство разогревается с помощью нагревателя 6 второй теплопроводящей плпс тины 5 со скоростью около 0,1 K/fc, которую обеспечивает предварительная настройка задатчика 20 скорости нагрева. В ходе опыта на различных уровнях температуры измеряются злектрические мощности, выделяющиеся в нагревателях 4 и 6 первой и второй теплопроводящих пластин 3 и 5, а также перепад температур на контактных плоскостях испытуемого образца 7. Расчет искомых теплофизических характеристик ведется по соотношениям, полученным путем решения задачи теплопроводности для монотонно разогреваемой пластины. Эти соотношения без учета контактно-го термического сопротивления имеют вид (W - Wz) - (С, - Сг)- b -|s 1 - (С. + с.) ш L ь где h, S высота и площадь поперечного сечения; масса образца; .., W-- электрическая мощность, выделяющаяся в первой и второй теплопроводящих пластинах; теплоемкость первой и второй теплопроводящих пластин; перепад температур на : контактных плоскостях образца; скорость разогрева образца. Испытания показали, что погрешность измерений искомых величин и С не превьш|ает 3,5% в отличие от известных устройств, у которых она имеет величину порядка 10%, при этом точность измерений повысилась в 2,9 раза.

II

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ, состоящее из внешней адиабатической оболочки с нагревателем, внутри которой расположена первая теплопроводящая пластина с нагревателем для установки на одну из контактных плоскостей образца, первой дифференциальной термопары со спаями во внешней адиабатической оболочке и первой теплопроводящей пластине, второй дифференциальной термопары, один из спаев которой расположен в первой теплопроводящей пластине, и двух регуляторов температуры, причем выходы первого подключе- . ны к нагревателю внешней адиабатической оболочки, а к входам второго, выходы которого подключены к нагревателю первой теплопроводящей пластины v подключена вторая дифферекциг альная термопара, отличают е с я тем, что, с целью повьшения точности измерения, дополнительно введены вторая Феплопроводящая пластина с нагревателем для установки 1на противоположную контактную плоскость образца, задатчик скорости нагрева, подключенньш к нагревателю второй теплопроводящей пластины, сумма-тор, выходы которого подключены к входам первого регулятора температу-. ры, адиабатическая оболочка первой теплопроводящей пластины с нагревателем, окружающая первую теплопроводящую пластину до плоскости ее контакта с образцом, адиабатическая оболочка второй теплопроводящей пластин{ 1 с нагревателем, окружающая вторую теплопроводящую пластину до плоскости (Л ее контакта с образцом, третья дифференциальная термопара со спаями в первой теплопроводящей пластине.и адиабатической оболочке первой пластины, четвертая дифференциальная термопара со спаями во второй теплопроводящей пластине и адиабатической оболочке второй пластины, третий регулятор температуры, входы которого подключены к третьей дифференциальной термопаре, а выходы - к нагревателю адиабатической оболочки первой теплопроводящей пластины, и четвертый регулятор температуры, входы которого подключены к четвертой дифференциальной термопаре, а выходы - к нагревателю адиабатической оболочки второй теплопроводящей пластины, кроме того, первая дифференциальная термопара подключена к первым входам сумматора, а вторая ,свободный спай которой помещен во вторую теплопроводящую пллстину, подключена дополнительно к вторым входам сумматора.

a

N

I

S

й ж/х/х

1

t.CWC,

ij

f.

т

I

OQ.

§:{

Y/f/77////777/j

5Г

r f

s

r

o 1

L

-Й

T

У7//Л 7//У/У.