Способ измерения коэффициента теплопроводности Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области тепловых испытаний, а именно к области исследования теплофизических свойств веществ.

Известен способ измерения теплопроводности, согласно которому образец помещают между основанием с тепломером и нагревательным блоком. Включают нагреватель, и после установления стационарного состояния измеряют перепады температуры на образце, тепломере и рассчитывают тепопроводность 1 .

Недостатком данного способа является большая длительность установления стационарного режима в упомянутой системе тел ( 30-50 мин.) , большая погрешность измерения теплового потока за счет того, что тепломер предварительно градуируется по образцовым мерам (с погрешностью не менее 3%), либо на специальной установке с погрешностью 1,5-2%.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ измерения теплопроводности образца, состоящий в создании перепада температур на плоском образце за счет его теплового контакта с двумя средами разной температуры, измерении в квазистационарной стадии опыта перепада температур на образце и скорости изменения температуры одной из поверхностей образца. Измерение теплового потока осуществляется тепломером, контактирующим с одной из поверхностей образца 2.

Недостатком известного способа является значительная погрешность измерений за счет погрешности градуировки тепломера. Обычно он градуируется по образцовым мерам с погрешностью не менее 3%. Кроме того, источником погрешности является несимметричность расположения образца относительно сред, обеспечивающргх протекание через него теплового потока. Эта несимметричность обусловлена наличием в тепловой схеме ипастинки тепломера.

Цель изобретения - повьш1ение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения теплопроводности, состоящему в создании перепада температур на плоском образце за счет его теплового контакта с двумя средами разной

температуры, измерении в квазистационарной стадии опыта перепада температур на образце и скорости изменения температуры одной из поверхностей образца, на верхней поверхности образца выделяют и измеряют мощность, обеспечивающую нулевую разность температур между ею и контактирующей с ней средой, дополнительно измеряют скорость изменения температуры на нижней поверхности образца и рассчитывают искомый коэффициент А по соотношению а

а+СцЬ,Ю.1бс(2ъ,

( f

6-V где Q - выделяемая мощность; Сц, С - теплоемкости нагревателя

и образца;

Ь|, bj скорости изменения температур нижней и верхней по- верхностей образца; S, h - площадь поперечного сечения и толщина образца; V - перепад температуры на образце.

На чертеже изображено устройство, иллюстрирующее предлагаемый способ. , Оно состоит из двух массивных металлических блоков 1 и 2. В верхнем блоке 1 установлена контактная пластинка 3 с нагревателем 4, которая крепится к блоку с помощью металлических трубочек 5. В пластинке 3

смонтирована первая термопара 6, в нижнем блоке вторая термопара 7, в пластинке и контактной поверхности нижнего блока монтируются спаи дифференциальной термопары 8, а между

пластинкой и верхним блоком монтируются спаи термобатареи.9, которая подключается к системе 10 автоматического регулирования температуры (САРТ), выход которой подсоединен к

нагревателю пластинки. На боковые поверхности блоков навинчены охранные кольца 11 и 12, высота которых подбирается равной половине высоты образца.

Устройство работает следующим образом. .

Разогревают верхний блок относительно нижнего на 7-10 К и помещают образец между нижним блоком и контактной пластинкой верхнего блока. САРТ поддерживают нулевой перепад между пластинкой и верхним блоком. После установления квазистационарного режима в системе блоки-образец температура верхнего блока уменьшается, а нижнего - увеличивается со скоростями Ь и Ь| соответственно. Расчетная формула (1) получена из решения уравнения теплопроводности

и 34

2)

Э-г зГ

при следуклцих граничных и начальных условиях

lio.ibtnbii;-,

(3)

tU.tbtj-b-.E)

t(x.o)t,.

Выбор верхнего блока более горячим, чем нгасний, а также установка нагреэателя в верхнем блоке обеспечивают сведение к минимуму теплообмена за счет естественной конвекции.

Тепловой поток, поступающий в образец, измеряется по электрической мощности, вьвделяемой в пластинке, в то время как согласно известному способу поток измерялся тепломером. Точность измерения теплового потока, проходящего через образец, в предлагаемом способе определяется лишь инструментальными погрешностями измерения тока, сопротивления (или напря жейня), которые для цифровых приборов составляют менее 0,1%. Погрешность в измерении теплового потока . за счет возможной неадиабатичности между пластинкой и верхним блоком не превышает 0,05-0,1%.

Например, для образца с W 0,2 Вт/(м.К), диаметром 2 мм при I перепаде температуры Vp,. 10 К через образец проходит поток .

Тепловая проводимость меящу пластинкой и блоком при зазоре мм, диаметрах трубочек ,7 мм, dj 0,5 мм, общем количестве трубочек , теплопроводности трубочек и воздуха Ятр 16. Вт/(м-К), -

0,03 Вт(м-к), диаметре пластинки df. 20 мм - составляет 510 Вт/К. При восьмиспайной термобатарее и точности регулятора 0,1 К, между пластинкой и блоком можно поддерживать перепад температуры с погрешностью V 0,01 К. В этом случае.относительная погрешность измерения теплового потока составит 0,1%, т.е.

гораздо меньше, чем согласно известному способу.

Кроме того, изобретение позволяет уменьшить погрешность за счет бокового теплообмена образца, поскольку разности температур блоков и среднеповерхностной температуры боковой поверхности образца равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому приток тепла к боковой

поверхности образца от нагретого верхнего блока полностью компенсируется оттоком того же потока к нижнему холодному блоку. Численньй расчет на ЭВМ показал, что при симметричных условиях бокового теплообмена погрешность измерения теплопроводности может быть снижена, до 0,5% и менее, т.е. в 3-5 раз по сравнению со схемой, где вследствие примене-

ния тепломера условия симметричности не соблюдаются.

Таким образом, погрешность измерения теплового потока в предложенном способе не будет превьш1ать 0,5-1%. В базовом приборе ИТЭМ-1 jlz, погрешность составляет 8-10%. Кроме того, отпадает необходгшость в проведении очень трудоемкой операции ПО градуировке тепломера по образцовым мерам, что особенно важно для промышленных приборов, выпускаемых серийно, и непосредственно связано с экономическим эффектом в процессе изготовления и эксплуатации прибоР°

Способ может найти применение при

массовых испытаниях материалов, особенно при температурах, близких температурам окружающей среды.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, состоящий в создании перепада температур на плоском образце за счет его теплового контакта с двумя средами разной температуры, измерении в квазистационарной стадии опыта перепада температур на образце и скорости изменения температуры одной из поверхностей образца, отличающийс я тем, что, с целью повышения точ-. ности измерений, на верхней поверхности образца В1еделяют и измеряют мощность, обеспечивающую нулевую разность температур между ею и контактирующей с ней средой,, дополнительно измеряют скорость изменения температуры на нижней поверхности образца и рассчитывают искомый коэффициент по соотношению LQtChb,tai6c