Устройство для определения теплопроводности материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к технике тепло- физических измерений, а именно к устройствам для определения теплопроводности материалов, и может быть использовано при исследовании фазных переходов и других процессов, происходящих и узких температурных интервалах.

Известно устройство для определения теплопроводности материалов, работающее в режиме стационарного теплового потока. Постоянный тепловой поток Р пропускается через однородный образец с известной площадью поперечного сечения S. Термопары закреплены в двух местах вдоль образца на расстоянии d друг от друга. Коэффициент теплопроводности определяют из соотношения

Л г- А -г

При этом коэффициент теплопроводности приписывается среднему значению температуры между термопарами.

Недостатком данного устройства является сложность создания одновременного теплового потока тепла, а также неопределенность температуры, к которой относится измерение.

Известно также устройство для определения теплопроводности в широком диапазоне температур, состоящее из двух термостатируемых блоков, между которыми размещаются два исследуемых образца, разделенные плоским центральным нагревателем, в центре которого расположен горячий спай дифференциальной термопары. Холодный спай термопары находится в термостате. Для получения значения коэффициент теплопроводности в образце

VJ

О

СА

О

создается перепад температур 1,5-2,5°С путем подачи некоторой заданной мощности Q в центральный нагреватель. Коэффициент теплопроводности рассчитывается по формуле

J5 Qh

2S

А

где Q - мощность, выделяемая в нагревателе;

Si и $2 - сечения исследуемых образцов;

hi и h2 - толщины исследуемых образцов;

ATi и ДТ2 - перепад температуры на образцах.

В случае одинаковых образцов Si , , AT 1 AT 2 AT и одинаковый тепловой поток распространяется через каждый исследуемый образец.

Недостатком данного устройства является неопределенность температуры, которой соответствует измеренный коэффициент теплопроводности, возникающая вследствие того, что при подводе одной и той же мощности к нагревателю при изменении на образцах со значительно отличающейся теплопроводностью получают во столько же раз отличающийся градиент температуры АТна исследуемом образце. Особенно недопустимо это при изучении фазовых переходов, происходящих в очень узких температурных интервалах, когда наблюдается резкая зависимость теплофизических свойств от температуры.

Кроме того, необходимо каждый раз производит расчет теплопроводности по формуле, что требует дополнительного времени.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство для измерения теплопроводности материалов, содержащее термостат с находящимися внутри него измеряемыми образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель, размещенный между образцами, дифференциально включенную термопару, диод, дифференциальный усилитель, регистратор, усилитель, источник опорного напряжения, усилитель с цифровой установкой коэффициента усиления, цифровой блок установки и общую шину.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет увеличения точности задания температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее термостат с находящимися внутри него измерительными образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель размещенный между образцами, дифференциально включенную термопару, диод, дифференциальный усилитель, регистратор, усилитель, общую шину и источник опорного напряжения, подключенный выходом к первому входу дифференциального усилителя, второй

вход которого соединен с одним выводом дифференциально включенной термопары, подсоединенной другим выводом к общей шине, усилитель подключен выходом к аноду диода, катод которого соединен с одним

выводом плоского центрального нагревателя, другой вывод которого подключен к общей шине, введены интегратор и функциональный преобразователь, подключенный первым входом к выходу источника

опорного напряжения, вторым входом - к катоду диода и выходом - к входу регистратора, а интегратор подсоединен входом к выходу дифференциального усилителя и выходом к входу усилителя.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для определения теплопроводности материалов.

Устройство содержит термостат, состоящий из двух идентичных блоков 1 и 2, внутри которого размещены два измеряемых образца 3 и 4 цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель 5, дифференциально включенную термопару 6, дифференциальный усилитель 7, источник 8

опорного напряжения, интегратор 9, усилитель 10, диод 11, функциональный преобразователь 12, регистратор 13 и общую шину 14.

Измеряемые образцы 3 и 4 размещены

соосно, их наружные торцы приведены в тепловой контакт с термостатом, а боковые их поверхности теплоизолированы.

Источник 8 подключен выходом к первым входам функционального преобразователя 12 и дифференциального усилителя 7, подсоединенного вторым входом к одному выводу дифференциально включенной термопары 6, другой вывод которой соединен с общей шиной 14. Выход дифференциального усилителя 7 подсоединен через последовательно соединенные интегратор 9 и усилитель 10 к аноду диода 11, катод которого соединен с одним выводом плоского центрального нагревателя 5, подключенного другим выводом к общей шине 14. Катод диода 11 соединен с вторым входом функционального преобразователя 12, выход которого подключен к входу регистратора 13.

Устройство для определения теплопроводности материалов работает следующим образом.

В начальный момент времени температура измеряемых образцов 3 и 4 и термоста- та одинакова во всех точках, поэтому после включения питания сигнал, поступающий с дифференциальной термопары 6 на второй (инвертирующий) вход дифференциального усилителя 7, равен нулю. На первый (неин- вертирующий) вход дифференциального усилителя 7 поступает напряжение с выхода источника 8 опорного напряжения, выбираемое равным тому напряжению дифференциальной термопары 6, которое соответствует нужному градиенту температуры на образцах 3 и 4. Напряжение с выхода дифференциального усилителя 7 через интегратор 9, усилитель 10 и диод 11 поступает на плоский центральный нагреватель 5. В результате выделения тепловой мощности нагревателем 5 температура в измеряемых образцах 3 и 4 начинает увеличиваться. Это приводит к увеличению сигнала, поступающего с дифференциальной термопары 6 на первый (неинвертирующий) вход дифференциального усилителя 7, что, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения на выходе дифференциального усилителя 7, интегратора 9, усилителя 10 мощности и в конечном итоге приводит к уменьшению напряжения, поступающего на плоский центральный нагреватель 5.

Таким образом устройство работает как стабилизатор температуры в месте рас- положения горячего слоя дифференциально включенной термопары 6 (т.е. между измеряемыми образцами 3 и 4). При этом разница между напряжениями на выходах дифференциально включенной термопары 6 и источника 8 опорного капряжения будет тем меньше, чем больше суммарный коэффициент усиления дифференциального усилителя 7, интегратора 9 и усилителя 10. Интегратор 9 используется с целью предотв- ращения автоколебаний, а диод 11 исключает саморазогрев устройства отрицательным напряжением на выходе усилителя 10 при появлении на выходе дифференциально включенной термопары 6 напряжения боль- шего, чем выходной сигнал источника 8 опор- ного напряжения. При установлении стационарного режима на второй вход функционального преобразователя 12 поступает напряжение Ui, квадрат которогб пропорци- онален мощности Q, выделяемой плоским

центральным нагревателем 5, т.е. Q

UJL R

где R - сопротивление плоского центрального нагревателя 5. На первый вход Y функционального преобразователя 12 поступает напряжение U0, которое связано с градиентом температуры А Т, измеряемым дифференциально включенной термопарой б, формулой Uo a AT, где а - коэффициент термоЭДС термопары 6, на выходе Z функционального преобразователя 12 напряжение IJ2 равно KU2i/Uo, где k - регулируемый коэффициент, определяемый параметрами функционального преобразователя 12. Если коэффициент k установить равным d a /SR, где d - толщина цилиндрического образца 3, a S - площадь основания, то напряжение на выходе Z функционального преобразователя 12 будет равно

и М UT - Q. -1

Uz SR U0 где А- коэффициент теплопроводности образца.

Таким образом, регистратор (цифровой вольтметр), подключенный к выходу функционального преобразователя 12 будет измерять непосредственно коэффициент теплопроводности исследуемых образцов 3 и 4. При этом градиент температур А Т будет поддерживаться одинаковым для всех образцов независимо от их коэффициента теплопроводности.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерений теплопроводности материалов и представлять результат измерений в цифровом виде непосредственно на регистраторе (цифровом вольтметре) без дополнительных вычислений.

Формула изобретения

Устройство для определения теплопроводности материалов, содержащее термостат с находящимися внутри него измеряемыми образцами цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель, размещенный между образцами, дифференциально включенную термопару, диод дифференциальный усилитель, усилитель, регистратор, общую шину и источник опорного напряжения, подключенный выходом к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с одним выводом дифференциально включенной термопары, подсоединенной другим выводом к общей шине, усилитель подключен выходом к аноду диода, катод которого соединен с одним выводом плоского центрального нагревателя, другой вывод которого подключен к общей шине, о т- личающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет увеличения точности задания температуры, в него введены интегратор и функциональный преобразователь, подключенный первым входом к выходу источника опорного напряжения, вторым входом - к катоду диода и выходом

- к входу регистратора, а интегратор подсоединен входом к выходу дифференциального усилителя и выходом - к входу усилителя.

Изобретение относится к технике тепло- физических измерений и может быть использовано при исследовании фазовых переходов и других тепловых процессов. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет увеличения точности задания температурного режима. В устройстве использован метод стационарного теплового потока для измерения теплопроводности и обеспечивается поддержание заданного, достаточно малого, градиента температур на торцах исследуемого образца. При этом теплопроводность оказывается пропорциональной мощности выделяемой в нагревателе, которая определяется при помощи функционального преобразователя и регистрируется в цифровом виде. 1 ил. СО с