Устройство для теплофизических измерений Советский патент 1991 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к измерениям теплофи- зических свойств веществ.

Цель изобретения - расширение диапазона измерений в область низких температур и повышение точности измерений.

На чертеже представлено схематическое изображение устройства.

Устройство состоит из разъемного корпуса 1, теплоизоляционной оболочки 2 и теплоизмерительной ячейки, состоящей из пластин 3 и 4, контактирующих с поверхностями образца 5 в виде диска. Пластина 3 снабжена нагревателем - источником теплоты, а пластина 4 является теплоприемни- ком. Контактные пластины окружены системой адиабатических оболочек 6-9, снабженных нагревателями и термоприемниками. Между ячейкой и теплоизоляционной оболочкой размещена разъемная в горизонтальной плоскости оболочка для заливки криогенной жидкости. Верхняя часть этой оболочки 10 выполнена в виде колпака с двойной боковой стенкой, открыта сверху, а нижняя часть - в виде стакана 11, отделяющего теплоизмерительную ячейку о. теплоизоляционной оболочки 2. Сливная трубка 12, верхний уровень которой совпадает с верхней кромкой стакана 11, ограничивает уровень криогенной жидкости в стакане, а трубка 13 определяет количество криогенной жидкости в стакане 11 перед началом опыта. Стержень 14 служит для передачи давления на верхнюю пластину 4, воронка 15 используется для заливки криогенной жидкости в устройство для охлаждения

Оч

ю VI о

Јь

оо

ячейки. Устройство снабжено системами автоматического регулирования (САР) 16-21, с помощью которых задают режим нагрева устройства и поддерживают равенство температур между отдельными деталями ячейки (регулируемые параметры указаны подробнее далее).

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 5 помещается на нижнюю контактную пластину 3 и прижимается контактной пластиной 4. Затем через воронку 15 внутрь устройства заливают криогенную жидкость, например жидкий азот. Жидкость последовательно омывает все детали ячейки, проливаясь через отверстия в верхней части оболочки 10 и в донышках адиабатических оболочек 6-9. через которые выводится большое число проводов от теплоприемников и нагревателей и через которые криогенная жидкость после заполнения объема двойной стенки оболочки 10, омывая детали теплоизмерительной ячейкой и образец, накапливается в стакане 11. Охлаждение деталей измерительной ячейки идет за счет испарения криогенной жидкости на всех деталях. Когда температура верхней части оболочки 10 достигает температуры кипения жидкости, заполняется оболочка 10 и стакан 11 до верхнего уровня сливной трубки 12, Когда все детали достигнут температуры t0 кипения криогенной жидкости, открывают кран трубки 13 и в сосуде остается расчетное количество криогенной жидкости.

Включают системы регулирования и начинается рабочая стадия опыта. САР 17 задает требуемую скорость нагрева bo контактной пластины 4, САР 18 поддерживает на образце оптимальный перепад температуры бобр. Системы автоматического регулирования 16, 19-21 поддерживают равенство температур между отдельными деталями ячейки. В процессе нагрева проводится измерение мощности, выделяющейся в контактной пластине 3, перепад температуры на образце в Обр, скорость нагрева верхней контактной пластины 4. Теплопроводность рассчитывается по формуле

з W -(Сп +0.5Co6p)

Я50обр ( j

где W - мощность, выделяющаяся в пластине 3, Вт;

S - площадь сечения образца, м2; h - толщина образца, м;

Сп полная теплоемкость контактной пластины 3, Дж/К;

Собр- полная теплоемкость образца, Дж/К.

Размещение между теплоизмерительной ячейкой и теплоизоляционной оболочкой дополнительной разъемной оболочки, заполняемой криогенной жидкостью, позволяет расширить рабочий диапазон измерений в область низких температур и повысить точность измерений. При наличии оболочки с

температурой, равной температуре кипения криогенной жидкости, уменьшаются тепло- притоки к теплоизмерительной ячейке от окружающей среды. При этом скорость естественного отогрева теплоизмерительной

ячейки будет меньше или равна номинальной выбранной скорости нагрева, что позволяет проводить измерения с более низких температур.

В начальной стадии опыта в стакане 11

сохраняется определенное количество криогенной жидкости за счет выступающей части патрубка 13, которая выполняется с возможностью вертикального перемещения.

Уровень h верхней кромки трубки 13

относительно дна стакана определяется по формуле

)+MHi-o

где to. tcp, tr - соответственно температуры кипения криогенной жидкости при нормальном давлении, температура окружающей среды, граничная температура измерительной ячейки, при которой скорость есте- ственного отогрева измерительной ячейки становится равной заданной скорости;

р,г - плотность и теплота испарения криогенной жидкости, кг/м , Дж/кг;

Ьо заданная скорость нагрева измери- тельной ячейки;

Ля - тепловая проводимость между измерительной ячейкой, с одной стороны,оболочкой 10 и стаканом 11 с другой, Вт/К;

/V - тепловая проводимость между из- мерительной ячейкой и средой, (Вт/К); 5д - площадь дна стакана 11, м . Формула (2) получена из условия, что скорость естественного отогрева теплоизмерительной ячейки не превышает заданной, а

теплота, переносимая теплоизоляционной

оболочкой, идет на испарение оставшейся криогенной жидкости.

Первое измерение теплопроводности может быть выполнено практически выше температура кипения криогенной жидкости на величину порядка половины перепада температуры на образце. Начальная температура испытаний может быть оценена по формуле

Тнач to + 0,5$обр Ь DO

где бобр перепад температуры на образце, К;

Fop - значение критерия Фурье, при котором наступает регуляризация температурного поля в образце;

а - температуропроводность образца, м2/с

Снижение bo, как видно из(3), понижает начальную температуру испытаний Одновременно это позволяет повысить точность измерения за счет уменьшения в соответствии с (1) аклздэ в конечный результат погрешности определения полной теплоемкости Сп пластины 3 и исследуемого образц Собр. Обычно знаиен-,1е Собриз«сст- но лишь ориентировочно с Г Огрешностью 10-30%. Счч;кенио bo позволяет уменпамть относительную роль второго слагаемого в числителе формулы (1), а соответственно, и неисключенную часть погрешности. Кроме того, это позволяет увеличить и точщину образца, что оказывается важным при исследовании композиционных неоднородных материалов. При уровне поправки на теплоемкость образца 5%, что легко достигается при скорости разогрева 0,025 К/с, погрешности задания Собр 20% не исключенная часть погрешности в исмеренииА состава 1% и менее. При скооости разогреет bo 0,1 К/с эта погрешность возрастает до 4%. При исследовании материалов с низкой температуропроводностью, например, органического стекла с а 0,1 м2/с, толщиной 2h 4 мм с перепадом температуры на образце 20 К начальная температура испытаний при использовании жидкого азота в соответствии с (3) составит - 185°С.

При отсутствии оболочки для размещения криогенной жидкости скорость естественного обогреса составляет 0,3-0,15 К/с и измерения удается проводить только с температуры (-80Н-100)°С.

Проведанные испытания макета предложенного устройства подтвердили его эффективность. Макет был создан для измерения теплопроводности материалов с ,1-10 Вт/(м К) в области температур -170- 400°С. Диаметр стакана 11 и оболочки 10 был выбран 65 мм, полая оболочка 10 имела двойные стенки на расстоянии 8 мм, высота теплоизмерительной ячейки около 120 мм. Ячейка охлаждалась жидким азотом, расход

азота не превышал 1 л на o; .hj испытт;- - Высока трубки 13 отнсг.ителы НЕ тггл,-| t. 11 составляла 20 мм. npii температуре - 170°С скорость естественного г-тсг -свс со5 стзвляла 0,025 К/с. Испыттния о образцами из органического стеклг,;,зарце- оого стекла, стекла ТФ-1 -токаэ ло чтс рЈ хождение с данными Г гссглч; лрта п превысило 5%.

10Таким образом, по сравнению г угтрп ством-прототипом изобретение сбеспе /- расширечи,- диапазона ; со, зсть низких температур. Оно обеспечивает также повышение точное. и 1.мер. ий

15 з счет уменьшяиич -,ег.лоп итокоо к t пительной ячейке в нячал1ной стадии исты- за счет обеслечечи оптимальней сх оости нагрева образца.

Устройство в соответс.зии с изобрст120 нием f. oxer использоваться при физических исследованиях и в теплсфизическсм npt Оо- ростр энии.

сГ )рмула изобретения Устройство для теплсфиэичрски . изгче25 рений, содержащее разьемны в горизонтальной плоскости корпус, расположенную внутри него разъемную в той же плоскости топпо зотяционную оболочку, г-ко аю- щую теплсизмеритеш лую ячейг , сг. оя30 щую из двух ПТРСТИН, контактир1) поверхностями образца, одна из ко гори - снабжена нагревателем - источником теплоты, з вторая является тепг.опри;мником, v. адиабатических ооолочек вокру пластин,

35 отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерений ь область низких температур и повышения точности измерений, оно снабжено ра:-%змнои в горизонтальной плоскости оболочкой для

40 криогенной жидкости, причем верхняя часть ее выполнена в виде кслпака с двойной боковой стенкой, открытой сверху, и размещена между теплоизмерительной ячейкой и верхней частью теплэизсляцион45 ной оболочки, а нижняя часть оболочки выполнена в виде стакана, размещена между теплоизмерительной ячейкой и нижней частью теплоизоляцией ой оболочки и снабжена двумя сливными трубками, верхний

50 уровень первой трубки совпадает с верхней коомкой стакана, а втора.i трубка выпо-ые- ча с возможностью рертикалыюго перемещения, причем ее верхний уровень располагается выше дна стакана.

55

Изобретение относится к тепловым испытаниям. Цель изобретения - расширение диапазона измерений в область низких температур и повышение точности измерений. Устройство реализует режим динамического нагрева образца, размещенного между источником теплоты, и тепломером. Оно оснащено разъемной в горизонтальной плоскости оболочкой для заливки криогенной жидкости. Верхняя часть оболочки имеет отверстие для пролива криогенной жидкости в нижнюю часть, а нижняя часть снабжена двумя сливными трубками, дозирующими обьем криогенной жидкости. Расширение диапазона измерений в область низких температур обеспечивается за счет ограничения теплопритоков к образцу в начальной стадии испытания, а повышение точности - за счет возможности ограничения скорости отогрева образца.1 ил. Ё