Способ комплексного определения теплофизических характеристик и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к неразрушающим испытаниям и может быть использовано для измерения теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности веществ и материалов в широком диапазоне температур.

Известен способ комплексного определения теплофизических характеристик, состоящий в том, что исследуемый образец включают в систему автоматического регулирования в качестве элемента обратной связи, а петлю обратной связи замыкак при помощи теплового потока через образец. Изменяя коэффициент усиления регулятора, в системе автоматического регулирования возбуждают автоколебания, по частоте которых определяют температуропроводность, а по критическому значению коэффициента усиления - теплопроводность образца.

Недостатком данного способа является невысокая точность измерений.

Известно устройство для комплексного определения теплофизических характера стик, содержащее дифференциальную термопару, источник опорного напряжения, регулятор и нагреватель, замкнутые в систему автоматического регулирования через исследуемый образец.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является способ комплексного определения теплофизических харак00

о VJ

00

теристик и реализующее его устройство, состоящий в том. что возбуждают автоколеба- ния в системе автоматического регулирования с тепловой обратной связью, тепловой элемент которой приводят в тепловой контакт с образцом. Реализующее данный способ устройство содержит термостат, дифференциальную термопару, нагреватель, блок сравнения, регистратор и источник опорного напряжения.

Недостатками данного способа и реализующего его устройства являются невысокая точность измерений и большие затраты времени на измерения.

Целью изобретения является повышение точности и сокращение времени измерений.

Цель достигается тем, что автоколебания возбуждают, изменяя постоянную времени системы, по критическому значению постоянной времени определяют тепловую активность, по средним значениям мощности нагревателя и температуры образца - теплопроводность, а по теплопроводности и тепловой активности вычисляют температуропроводность образца.

В данном способе по критической величине постоянной времени системы автоматического регулирования (САР) с тепловой обратной связью находят тепловую активность, а теплопроводность определяют методом плоского источника по поступающей, на образец удельной мощности и градиенту температуры, по значениям которой определяют температуропроводность образца.

Исследование уравнения данной САР, имеющего вид нелинейной краевой задачи нестационарной теплопроводности:

t(x,t)-aT (х, t): T(x, t)| x-o 0

т1(

(д ,t) -atUo-ьа /exp x

°)- 00

x((d.t)dr,(1)

-00

где Т(х, t) о Т(х, t)/dt - скорость изменения температуры;

T(xt t) - разность температур образца и термостата;

х - координата;

t - время; д толщина образца;

К - коэффициент усиления регулятора;

а - температуропроводность образца;

А - теплопроводность образца;

S - площадь нагревателя;

R - сопротивление нагревателя;

0

U0 опорное напряжение;

а- коэффициент термоЭДС;

г0 - постоянная времени дифференциатора;

6- мощность, выделяемая в нагревателе;

т- переменная интегрирования; а- функция Хевисайда, дает следующую формулу для определения тепловой активности;

.«UK2

SR

/2ъ .

(2)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

А

(4)

Из нее следует, что относительная чувствительность способа составляет

с, - d ос/Toe по

(3)

где гос критическое значение постоянной времени Т0 .

Теплопроводность А определяется с чувствительностью и вычисляется по формуле

S R Т (6 )

где - среднее квадратичное значения выходного напряжения блока сравнения;

Т (б) - температура образца толщиной д.

Устройство для комплексного определения теплофизических характеристик исследуемого образца 1, содержит термостат 2, дифференциальную термопару 3, нагреватель 4, дифференциатор-инвертор 5, блок 6 сравнения, источник 7 опорного напряжения, регистратор 8 и коммутатор 9.

Один из спаев дифференциальной термопары 3 закреплен на термостате 2, а второй - на исследуемом образце 1. Выводы дифференциальной термопары 3 подключены к соответствующим входам дифференци- атора-инвертора 5, подсоединенного первым и вторым выходами соответственно к первому и второму входам коммутатора 9. Блок 6 сравнения подключен первым входом к выходу источника 7, вторым входом - к третьему выходу дифференциатора-инвертора 5 и выходом - к термопаре 3 и к третьему входу коммутатора 9, выход которого соединен с входом регистратора 8.

Устройство для комплексного определения теплофизических характеристик работает следующим образом.

При небольших значениях постоянной времени блока 6 сравнения в нагревателе 4 выделяется постоянная мощность, а в образце 1 устанавливается стационарное температурное поле:

Т(х)

K2UЈ

При определенных значениях Uo. К и Т0 . называемых критическими, в системе возникают автоколебания. Эти значения связаны с тепловой активностью соотношением (2), которое может быть использовано для ее определения. Теплопроводность образца может быть вычислена по средним значениям выделяемой в нагревателе мощности и температуры Т(5, t) с помощью формулы (5).

Для измерения теплофизических характеристик параметры Do и К следует выбирать такими, чтобы J(d , t) не превышала некоторой налагаемой условиями эксперимента предельной величины Т0 (в данном случае Т0 2 К). При этом может оказаться, что диапазона изменения Г0 недостаточно для возбуждения автоколебаний. Поэтому перед измерениями необходимо установить значения Uo и К, которые удовлетворяли бы следующим условиям:

л К UQ т

дтнт-Т|

о

где Гомакс - максимальное значение постоянной времени ть

Для этого первый переключатель дифференциатора-инвертора 5 устанавливают в среднее положение и уменьшением U0 возбуждают автоколебания, одновременно регулируя К таким образом, чтобы Т (д, t) оставалась в пределах Т0. Измерения тепло- физических характеристик проводились следующим образом.

В соответствии с требованиями, сформулированными выше, были выбраны значения параметров U0 и К. Затем постоянную времени г0 изменяли от нуля до некоторого критического значения Г0с , при котором в системе возникали автоколебания. Значение Гос определяли, измеряя регистратором сопротивление резисторов RC-цепочки дифференциатора-инвертора 5, при котором происходит возбуждение автоколебаний. Так как блок 6 и источник 7 опорного напряжения были прокалиброваны заранее, и в дальнейшем U0 и К не изменялись, то тепловую активность измеряли, определяя экспериментально лишь один параметр Го . Для нахождения теплопроводности измеряли действующие значения выходных напряжений блока 6 сравнения и диффе

10

15

20

30

35

40

45

50

55

ренциатора-инвертора 5. Тепловую активность и теплопроводность вычисляли по формулам (2) и (4).

Использование изобретения позволяет повысить точность измерений за счет увеличения чувствительности измерения тепловой активности по критической постоянной времени примерно в 4 раза. Сокращается время измерений, поскольку не требуется установления определенной амплитуды ко лебаний и регистрации необходимого числа полных циклов колебаний.

Формула изобретения 1. Способ комплексного определения теплофизических характеристик, состоящий в том, что возбуждают автоколебания в системе автоматического регулирования с тепловой обратной связью, тепловой элемент которой приводят в тепловой контакт с образцом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерений, автоколебания возбуждают, компенсируя сдвиг фазы сигнала тепловой обратной связи изменением постоянной времени системы, при этом по критическому значению постоянной времени определяют тепловую активность, по средним значениям мощности нагревателя и температуры образца - теплопроводность, а по тепловой активности теплопроводности - температуропроводность образца.

2. Устройство для комплексного определения теплофизических характеристик, содержащее термостат, дифференциальную термопару, нагреватель, блок сравнения, регистратор и источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, один из спаев дифференциальной термопары закреплен на термостате, а другой закреплен на образце, отличающееся тем, что оно снабжено коммутатором и дифференциатором-инвертором, подключенным первым и вторым входами к выводам дифференциальной термопары, первым и вторым выходами - соответственно к первому и второму входам коммутатора и третьим выходом - к второму входу блока сравнения, выход которого подсоединен к нагревателю и к третьему входу коммутатора, подключенного выходом к входу регистратора.

Изобретение относится к неразрушающим испытаниям и может быть использовано для измерения теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности веществ и материалов в широком диапазоне температур. Цель изобретения - повышение точности и сокращение времени измерений. Изменяя постоянную времени Г0 дифференциатора-инвертора, входящего в измерительную цепь обратной тепловой связи, в системе возбуждают автоколеба ния. По величине Т0 , при которой возникают автоколебания, определяют тепловую активность образца. Измеряя средние значения мощности, выделяемой на поверхно сти исследуемого образца, и температуры, находят теплопроводности. По тепловой активности и теплопроводности вычисляют температуропроводность образца. Это позволяет повысить точность и сократить время измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. Ё