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

Изобретение относится к теплофизиче- скому приборостроению, и предназначено для исследования теплофизических характеристик твердых тел.

Известен способ исследования тепло- физической характеристики - теплопроводности, состоящий в том, что поверхности исследуемого образца в виде пластины поддерживают при постоянных температурах, неравных между собой, после установления стационарного теплового режима регистрируют перепад температур и тепловой поток через пластину.

Недостатками способа являются значительное время установления стационарного теплового режима и невозможность получения данных по температуропроводности материала.

Устройство для осуществления данного способа включает в себя два теплопроводя- щих блока с образцом между ними, измеритель перепада температур между блоками, тепломер, два усилителя, сумматор, схему задержки, схему управления, функциональный преобразователь и блок индикации.

Известен способ измерения теплофизических характеристик, состоящий в разогреве полубескрнечного в тепловом отношении образца нагревателем с постоянной электрической мощностью и в измерении перепадов температур относительно начальной на нагревателе и на некотором расстоянии от него

Недостаток этого способа - высокая погрешность измерения теплофизических характеристик вследствие неучета совмест00

о

00

о

ного влияния теплоемкости нагревателя и теплового контактного сопротивления между нагревателем и образцом на ход темпе- ратурно-временных зависимостей. Большая погрешность измерений обусловлена также невозможностью определения заранее максимально допустимого времени ведения теплового эксперимента, зависящего от условий теплообмена на свободных поверхностях образца.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является способ измере - ния теплофизических характеристик образца, включающий в себя разогрев образца постоянной электрической мощностью с по- ощыоплоскбгЪ нагревателя, измерение перепадов температур относительно начальной на нагревателе и на некотором расстоянии от него;-Устройство , реализующее данный способ содержит измерительную ячейкуе; нагревателем дифференциальна соединенныепервую и вторую термопары, третью, термопару, коммутатор, аналого- цифровой преобразователь, блок сопряжения, процессор; два уси;лйтеля, блок индикации; клавиатуру, оперативный запоминающий блок, постоянный запоминаю- щий блок, таймер и регулируемый источник тока, -. - . -. ; ; :---

Недостатком данного способа и реализующего его устройства является большая погрешность измерений.при исследовании, образцов с теплопроводностью менее 0,05 вт/мК, что обусловлено наличием в измерительной ячейке эталонного материала, тёп- лофизические свойства которого известны с определенной погрешностью.

Целью изобретения является повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что перед измерением в ходе пробного эксперимента определяют перепад температуры между центром нагревателя и его точкой, находящийся на расстоянии, равном половине радиуса нагревателя. Устройство .для осуществления способа измерения теплофизическиххарэк- теристик-i. содержащее измерительную ячейку с нагревателем и три термопары, два усилителя, .коммутатор, аналого-цифрссой преобразователь, блок сопряжения, процессор, оперативный и постоянный запоминающие блоки, блок индикации и клавиатуру, таймер и регулируемый источник тока нагревателя, дополнительно снабжено термопарой, включенной дифференциально с термопарой в центре нагревателя, третьим усилителем и цифроа- налогопым преобразователем.

Сущность способа измерения теплофизических характеристик состоит в следующем.

Полубесконечный в тепловом отношении образец разогревается через прослойку толщиной д с постоянной теплопроводностью Л5, тепловой активностью и температуропроводностью ад , представляющей собой тепловое контактное сопротивление с нагревателем, к которому подводится постоянная удельная мощность соо г. Нагревэ- тель имеет конечное значение поверхностей теплоемкости Сн. В начальный момент времени температура нагрева- теля и образца во всех точках одинакова. Теплопроводность А , тепловая активность b и температуропроводность а образца не зависят от температуры и координат. Реше- ние уравнения теплопроводности для этого случая в области изображений V(0,P) и V(X, Р) по Лапласу имеет вид: д

для образца на глубине X

0

5

0

5

0

5

..„ . {g gV +yp l-h«p(VFig x a)b(l) Vl bVPlexp(2VP/8 5 й + Н) + СмР1б ср(2УР/ад Й.-ЬД w

где V(0, P), Vp(, P) - избыточные температуры нагревателя и на некотором расстоянии X от нагревателя;

h - ( )/(), р - параметр преобразования Лапласа.--. :.

Восстановление оригинала изображений (1) и (2) проводилось с помощью алгоритма численного обращения.

На фиг.1 показаны зависимости V(0, т.) и Vp(, т ), построенные в координатах V, vЈ Зависимости ai и аа соответствуют режиму, при котором отсутствуют влияние .теплоемкости нагревателя и теплового контактного сопротивления, зависимости 5i и дг - преобладающему влиянию теплоемкости нагревателя, зависимости bi и 02 преобладающему влиянию теплового контактного сопротивления. Кривые V(0, т ) f( VF ) выходят на прямолинейный участок при выполнении условийчайг 52 25; bVr7CH 8, где т - время ведения теплового эксперимента

Устройство для измерения теплофизических характеристик материалов содержит измерительную ячейку 1 с нагревателем 2, дифференциально включенные первую 3, вторую 4. третью 5, четвертую 6 и пятую 7 термопары. первый 8, второй 9 и третий 10

усилители, коммутатор 11, оперативный запоминающий блок (ОЗБ) 12. аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, цифроаналогоаый преобразователь (ЦАП) 14, регулируемый источник 15 тока, постоянный запоминающий блок (ПЗБ) 16, блок 17 сопряжения, процессор 18, блок 19 индикации,, клавиатуру 20 и таймер 21.

Выход регулируемого источника 15 тока соединен с входом нагревателя 2 измерительной ячейки 1. Первые выводы первой 3 и второй 4 термопар соединены между собой, вторые выводы первой 3 и второй 4 термопар подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя 8. Первый вывод третьей термопары 5 соединен с первым входом второго усилителя 9. Коммутатор 11 подсоединен первым и вторым входами соответственно к выходам первого 8 и второго 9 усилителей и выходом - к информационному входу АЦП 13, подключенного управляющим входом к выходу таймера 21 и выходом - к первому входу блока 17 сопряжения, подсоединенного первыми и вторыми двунаправленными шинами к процессору 18 и ОЗБ 12, вторыми и третьими входными шинами к ПЗБ 16 и клавиатуре 20, а первыми и вторыми выходными шинами - к входам соответственно таймера 21 и блока 19 индикации.

Четвертая термопара 6 первым выводом дифференциально соединена с вторым выводом первой термопары 3, а вторым выводом соединена с вторым входом третьего усилителя 10. Первый вывод пятой термопары 7 дифференциально соединен с вторым выводом третьей термопары 5, а второй вывод пятой термопары 7 - с вторым входом второго усилителя 9. Первый вход третьего усилителя Юсоединен с первыми выводами первой 3 и второй 4 термопар, выход третьего усилителя 10 - с третьим входом коммутатора 11, а ЦАП 14 подключен входом к третьей выходной шине блока 17 сопряжения и выходом - к управляющему входу регулируемого источника 15 тока. Управляющий вход коммутатора 11 соединен с четвертым выходом блока 17 сопряжения.

Устройство для измерения теплофизи- ческих характеристик материалов работает следующим образом.

Образец устанавливается в измерительную ячейку 1. Оператор вводит с помощью клавиатуры 20 в ОЗБ 12 исходные данные (площадь нагревателя, его сопротивление, величину размера X). Затем устройство переводится в автоматический режим, т.е. процессор 18 переходит от программы обслуживания клавиатуры 20 и блока 19 индикации к программе, обеспечивающей проведение эксперимента. Выполняя эту программу, процессор 18 периодически опрашивает АЦП 13 при выключенном на- 5 гревателе 2, чтобы установить по показаниям термопар 3, 4 и 5, 7 выравнивание температур в образце. Если показания термопар изменяются со скоростью менее 0,05 К/мин, то процессор 18 выполняет пробный

10 эксперимент. При этом на источник 15 регулируемого тока через блок 17 сопряжения и ЦАП 14 выдается напряжение, обеспечивающее удельную мощность нагревателя 1 Вт/м2. Одновременно выключается тай5 мер 21,

Точки экспериментальных кривых снимаются через одну с в течение 30 с. Данные экспериментальной зависимости V(0, г ) f( т ) обрабатываются методом наимень0 ших квадратов под прямую. Если тангенс угла наклона указанной прямой менее 0,04. то удельная мощность нагревателя увеличивается в пять раз, снова запускается таймер 21 и вновь в течение 30 с производится

5 снятие точек температурных кривых. Если тангенс угла наклона зависимости V(0, г ) f( Vr ) больше либо равен 0,04, то точки снимаются до тех пор, пока перепад температуры, измеряемой по радиусу нагревате0 ля термопарами 3 и 5, не превысит 0,1 К либо до полного заполнения памяти устройства, отведенной под данные температурных измерений и соответствующего 600 с ведения теплового эксперимента.

5 При пробном эксперименте допустимый перегрев нагревателя 2 относительно его начальной температуры составляет порядка 1 К. Для достаточно точного измерения радиального перепада температуры на

0 фоне случайной погрешности измерения необходимо, чтобы его величина была не менее 0,05-0,1 К. составляла 5-10% от величины перегрева нагревателя 2. Влияние теплообмена на боковой поверхности об5 разца на температуру центра нагревателя 2 начинает заметно сказываться при а г /R2 0,2, где R - радиус образца. При этом пере- пад температуры между центром нагревателя 2 и его точкой, находящейся на

0 расстоянии, равном половине его радиуса, составляет необходимые 5-10% от пере- , грева нагревателя 2. Момент времени, соответствующий появлению указанного радиального перепада температуры, соот5 ветствует допустимому времени ведения теплового эксперимента гмахс. Затем процессор 18 включает нагреватель 2, но продолжает периодически опрашивать АЦП 13, чтобы установить по показаниям термопар

3,4 и 5,7 окончательное выравнивание температуры образца. После того, как скорость изменения температуры станет менее или равной 0,01 К/мин, считается, что выравнивание достигнуто.

Затем процессор 18 переходит к программе обработки методом наименьших квадратов пробного воздействия. Обработке подвергается зависимость V(0, т) f( VF) под прямую линию, грубо оценивается величина тепловой активности образца и по ее значению и допустимому времени ведения эксперимента рассчитывается удельная мощность (Do , необходимая для создания к концу эксперимента на нагревателе 2 температурного перепада относительно его начальной температуры 7 ЬтЛГ.

2 УГмэкс

Процессор 18 через блок 17 сопряжения .и ЦАП 14 устанавливает необходимый ток и включает нагреватель 2. Одновременно с включением нагревателя запускается таймер 21. Таймер 21 периодически через одну запускает АЦП 13, а процессор 18 анализирует наличие от АЦП 13 сигнала Конец преобразования и заносит полученные точки экспериментальных кривых в 035:12. После достижения допустимой величины времени ведения эксперимента процессор 18 блокирует работу таймера 21, прекращает опрос АЦП 13. выключает нагреватель 2 и переходит к расчету тепло- и температуропроводности. После окончания необходи- мых расчетов процессором 18 производится вывод на блок 19 индикации полученных теплофизических характеристик, и устройство переводится в режим обслуживания клавиатуры 20.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерений за счет формирования оптимальной мощности нагревателя и определения до начала измерения допустимого времени измерения.

Формула изобретения 1. Способ измерения теплофизических характеристик образца, включающий в себя разогрев образца постоянной электрической мощностью с помощью плоского нагревателя, -измерение перепадов температур относительно начальной на нагревателе и на некотором расстоянии от него, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в ходе пробного эксперимента перед основным измерением определяют перепад температур между центром нагревателя и его точкой

на расстоянии, равном половине радиуса нагревателя.

2. Устройство для измерения теплофизических характеристик материалов, содержащее измерительную ячейку с нагревателем, дифференциально соединенные первую и вторую термопары, третью термопару, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок сопряжения, процессор, два усилителя, блок индикации, кла- . виатуру, оперативный запоминающий блок, постоянный запоминающий блок, таймер и регулируемый источник тока, выход которого соединен с входом нагревателя измерительной ячейки, первые выводы первой и второй термопар соединены между собой, вторые выводы первой и второй термопар подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя, один

вывод третьей термопары соединен с первым входом второго усилителя, коммутатор подсоединен первым и вторым входами соответственно к выходам первого и второго усилителей и выходом к информационному

входу аналого-цифрового преобразователя, подключенного управляющим входом к выходу таймера и выходом к первому входу блока сопряжения, подсоединенного первой и второй двунаправленными шинами к

процессору и оперативному запоминающему блоку, второй и третьей входными шинами к постоянному запоминающему блоку и клавиатуре, а первой и второй выходными шинами - к входам соответственно таймера

и блока индикации, от л ичающееся тем, что, с целью повышения точности за счет формирования оптимальной мощности нагревателя, в него введены третий усилитель, цифрозналоговый преобразователь, четвертая и пятая термопары, четвертая термопара первым выводом дифференциально соединена с вторым выводом первой термопэры, а вторым выводом соединена рым входом третьего усилителя, первый

вывод пятой термопары дифференциально соединен с вторым выводом третьей термопары, а второй вывод пятой термопары соединен с вторым входом второго усилителя, .первый вход третьего усилителя соединен с

первыми выводами первой и второй термопар, выход третьего усилителя соединен с третьим входом коммутатора, цифроанало- говый преобразователь подключен входом к третьей выходной шине блока сопряжения

и выходом к управляющему входу регулируемого источника тока, а управляющий вход коммутатора соединен с четвертым выходом блока сопряжения.

Риъ.1

Изобретение относится к теплофизиче- скому приборостроению и предназначено для исследования теплофизических характеристик твердых тел. Цель изобретения - повышение точности измерений. Перед проведением измерения определяют перепад температуры между центром нагревателя и его точкой, находящейся на расстоянии, равном половине радиуса нагревателя. Это дает возможность определять перед измерением допустимое время ведения эксперимента и требуемую мощность нагревателя, а также получить оптимальные с точки зрения минимальной погрешности измерения величины перегрева исследуемого образца относительно начальной температуры. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. у I