Способ комплексного определения теплофизических характеристик материала Советский патент 1986 года по МПК G01N25/18 

N9

Од

to

i4

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при исследс5вании теплофйзических характеристик веществ и материалов в широком диапазоне температур .

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - пример расположения образца материала между нагревателем и термочувствительном эле.ментом; на фиг.З - принципиальная схема устройства.

Устройство содержит нагреватель 1 исследуемый материал 2, термочувствительньй элемент .(например термопару) 3, дифференциальньй усилитель 4 с регулируемым коэффициентом усиле,ния, регулируемый источник 5 опорног напряжения и измеритель частоты 6 (например самопишущий потенциометр). Для привязки процесса измерений к определенной температуре часть поверхности образца материала приводят в тепловой контакт с термостатом (зона на фиг.2).

Термочувствительный элемент 3 через входной резистор R$ соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 4. К неинвертирующему входу усилителя через резистор RS подключен регулируемый источник 5 опорного напряжения. Выход усилителя 4 соединен с измерителем частоты 6 непосредственно и через диод - с нагревателем 1, который с термочувствительным элементом 3 связан через исследуемый материал 2. Элементы 1,2,3 и 4 образуют замкнутую автоколебательную систему.

Способ реализуется следующим образом.

На неинвертирующий вход усилителя 4 от источника 5 подают напряжение питания. На инвертирующий вход поступает температурный сигнал от термочувствительного элемента. При неизменном коэффициенте усиления усилителя в образце вскоре устанавливается стационарное распределение температуры, так как разность напряжений сигналов.от источника 5 и элемента 3 от квадрата которой зависит мощность, вьщеляемая на нагревателе, стремится к постоянной величине. После выхода на стационарный режим необходимо зафиксировать с помощью измерителя 6 отсутствие колебаний в системе с тем, чтобы исключить возможность измерений не на первой собственной частоте колебаний системы.

Затем монотонно увеличивают тепловой поток, поступающий от нагревателя путем увеличения коэффициента преЪбразования температурного сигнала от образца в величину вькодной мощности

нагревателя. Этот процесс осуществляется путем увеличения коэффициента усиления дифференциального усилителя при постоянной величине выходного напряжения источника 5. При достижеНИИ критического значения коэффициента усиления в измерительной системе возникают автоколебания. В момент возникновения автоколебаний измеряют их частоту и коэффициент усиления

(коэффициент преобразования температурного сигнала от образца) дифференциального усилителя.

Регулированием величины выходного напряжения источника 5 создают требуемый для конкретных измерений градиент температуры в образцах исследуемых материалов.

Коэффициент температуропроводнос,ти определяют из соотношения

О. .

где частота автоколебания;

первый корень характеристикоуравнения

chOcosO-chOsini) ch cosO- -ch)sinO в1г(х)со8(хГоТсЬ(хЭ )81п(хГ) )

где Хв - расстояние между термочувствительным элементом и нагревателем.

Коэффициент теплопроводности определяют из соотношения

J 4K2«Uo

зяЩ+в)

где KO - критический коэффициент усиления;«- коэффициент термоЭДС;

Uo - величина опорного напряжения;

S - площадь нагревателя; R - сопротивление нагревателя.

ч ohO cos Oj -shDi sin,

В shTxj 5, Т cos (хр 5 )

55 По сравнению сизвестным способом предлагаемый способ позволяет снизить относительную погрешность измерений в 2-4 раза.

Формула изобретения

Способ комплексного определения теплофизических характеристик материала, заключающийся в подаче теплового потока на образец исследуемого материала и измерении частоты колебаний в измерительной системе, содержащей последовательно соединенные нагреватель, образец и термочувствительньш элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измерения проводят в системе, дополнительно содержащей дифференциальный усилитель, связанный инвертирующим входом с термочувствительным элементом, и выходом с нагревателем, изменяют коэффициент усиления дифференциального усилителя до появления в системе автоколебаний на резонансной частоте образца, измеряют частоту автоколебаний, критический коэффициент усиления и определяют коэффициенты температуропроводности q и теплопроводности j материала по формулам

,.

2l

где Ofl- частота автоколебаний;

О,- первый корень характеристического уравнения

chOcosi);;chi)sin chOcosOish sinO shU«5) cos() сЬ(хГ1Г)81п(

где Ко - расстояние термочувствительного элемента от нагревателя,

, . SRB(4+BT

„„ о i) chi)iCosD,-shi)« sinij,

1ш: :гсога: :г

Ко - критический коэффихщент усиления;

(- коэффициент термоЭДС термочувствительного элемента; Uo опорное напряжение; S - площадь нагревателя; R - сопротивление нагревателя.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для исследования теплофизических характеристик материалов в широком диапазоне температур. Целью изобретения является повышение точности измерений, упрощение процессов измерения и обработки результатов. Цель достигается тем, что образец исследуемого материала включают в автоколебательную систему. Изменяют, коэффициент усиления системы и возбуждают в ней автоколебания на первой резонансной частоте образца. По частоте автоколебаний определяют температуропроводность, а по критическому значению коэффициента усиления, содержащегося в системе дифференциального усилителяj - теплопроводность материала. 3 Ш1.

Фи.1

фиг. 2