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

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения теплофизических свойств материалов, например, образцов горных пород при воздействии на них разносного внешнего и внутрипорового давлений

Известно устройство для измерения теплопроводности твердых веществ методом стационарного теплового потока, содержащее автоклав с крышкой, термопары, основной и охранный нагреватели, холодильник, сильфон герметически соединяющий охранный нагреватель с крышкой автоклава, пружиненные капилляры для термопар и токоподводов нагревателей, установленные в отверстиях крышки автоклава и нагревателей.

Основными недостатками этого устройства являются: длительность процесса измерения, обусловленная временем выхода на стационарный режим невозможность определения всего комплекса теплофизических свойств исследуемого материала; отсутствие воздействия на образец внутрипорового давления, что не позволяет определять теплопроводность образцов горных пород в условиях приближенных к пластовым.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения теплофизических свойств материалов, которое содержит рабочую камеру с крышкой, для эталона, расположенные с зазором для исследуемого образца, окруженном непроницаемой оболочкой, закрепленной на боковой поверхности эталонов, плоский источник тепловых колебаний, помещенный на границе одного эталона с зазором и соединенный через генератор тепловых колебаний с блоком управления и регистрации, две дифференциальные термопары, помещенные каждая в эталоне и подключенные через предварительный усилитель постоянного токак системе управления и регистрации, систему задания давления, один канал которой связан с

(Л

ю

лостью, образованной непроницаемой оболочкой и торцами эталонов, а второй подключен к рабочей камере 2.

Однако, известное устройство не предусматривает воздействия на исследуемый образец разностного давления, что не позволяет определять теплофизические свойства образцов горных пород в условиях сложнонапряженного состояния, характерного для их естественного залегания, и влияет на достов ерность получаемых результатов,

Цель изобретения - расширение области применения за счет возможности определения теплофизических свойств пористых материалов при воздействии на образец разностного внешнего и внутрипо- рооого давлений и повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее рабочую камеру с крышкой, два эталона, расположенные с зазором для исследуемого образца, окруженном непроницаемой оболочкой, закрепленной па боковой поверхности эталонов, пло(. ий источник тепловых колебаний, помещенный на границе первого эталона с зазором и соединенный через генератор тепловых колебаний с блоком управпения и регистрации, дифференциальную термопару, помещенную на торцах второго эталона и подключенную через предварительный усилитель постоянного тока к системе управления и регистрации, систему задания давления, один канал которой связан с полостью, образованной непроницаемой оболочкой и торцами эталонов, а второй подключен к рабочей камере, дополнительно введена система задания и регистрации осевого давления, первый эталон выполнен в виде подпятника, второй эталон- поршня, входящего в отверстие крышки рабочей камеры, а теплофизически свойства эталонов удовлетворяют отношению

1

20,

где Л и а - соответственно, теплопроводность и температуропроводность первопэ и второго эталонов.

Предлагаемое устройство представлено на чертеже.

Устройство для определения теплофи- зических свойств материалов содержит внешний термостат 1, корпус рабочей камеры высокого давления 2 с крышкой, имеющий отверстие для выхода поршня, затвор 3 с предохранительным кольцом 4, крышку 5, струбцину 6, давильный патрон, состоя

щий из корпуса 7 и поршня 8, манометр 9, индикатор 10, поршень (2-ой эталон) 11 с помещенной в нем дифференциальной термопарой 12, исследуемый образец 13, не5 проницаемую оболочку 14, плоский источник тепловых колебаний 15, размещенный на торце первого эталона (подпятника) 16, гидравлический насос 17 переменного внутрипорового давления с

10 подводящим трубопроводом и краном 10, манометром 19, предварительный усилитель постоянного тока 20, аналого-цифровой преобразовашль 21, миниЭВМ 22, генератор тепловых колебаний 23, гмдрав15 лический насос переменного давления бокового обжатия 24 с краном 25, подводящим трубопроводом 26 и манометром 27.

Тепяофмзические свойства материалов, в т.ч. горных пород-коллекторов определя20 ютсл на образцах в форме пластины толщиной от единиц миллимеров до 20 мм. Полуограниченное тело (1-ый эталон) 16 выполняется из фторопласта, обладающего

низкими значениями параметра -т

V 31

- 0,78 103, Вт с° 5/(м2К), его длина составляет 15 мм. Для предотвращения ползучести эталон из фторопласта вмонтирован в4днище камеры высокого давления. На торце 1-го эталона методом напыления нанесен плоский электронагреватель изолированный пт контакта с образцом. Полуограниченное тело 11 (2-ой эталон) выполнено из низкотеплопроводной нержавеющей стали

( 1°3 Втс°5/(м2К)) длиною 80 мм. Рабочий спай дифференциальной термопары Хромель-копель вмонтирован во 2-ой этапом на расстоянии 2 мм от торца, нахо40 дящегося в контакте с образцом, а холодный спай расположен на расстоянии, обеспечивающем затухание амплитуды температурных колебаний в эталоне до величины 0,1 % от амплитуды температурных колебаний на

45 границе контакта с исследуемым образцом. Непроницаемая оболочка 14, в которую заключается исследуемый образец 13, изготовлена из термостойкой резины.

Осевое давление до 100 МПа на иссле50 дуемый образец создается давильным патроном и фиксируется манометром 9, укрепленном на давипьном патроне. Перемещение поршня 11 регистрируется индикатором 10. Полость камеры высокого

55 давления 2 с помощью трубопровода 26 соединяется с гидравлическим насосом высокого давления 24 и боковое давление на образец до 100 МПа, контролируемое манометром 27, создается обжатием его через

25

30

35

непроницаемую оболочку. Давление в порах исследуемого образца до 100 МПа задается насосом высокого давления 17 и контролируется манометром 19. Камера высокого давления помещается во внешний термостат 1, обеспечивающий равномерный нагрев и термостатирование исследуемого образца в диапазоне температур 20 - 200°С.

Генератором тепловых колебаний 23 с помощью плоского источника 15 задаются колебания теплового потока прямоугольной формы фиксированной частоты и амплитуды. По прошествии некоторого времени в системе контактирующих тел возникают периодические колебания температуры, которые затухают в полуограниченных телах 11 и 16. С помощью дифференциальной термопары 12 изменение температуры преобразуется в электрический сигнал, который после усиления предварительным усилителем постоянного тока 20 переводится в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 21 и вводится в ЭВМ 22. ЭВМ осуществляет управление генератором тепловых колебаний 23 и аналого-цифровым преобразователем 21, а также производит обработку первичной информации и расчет теплофизических свойств.

Устройство для определения тепло- физических свойств материалов имеет широкие функциональные возможности измерений при вариациях осевого и бокового нагружения, внутрипорового давления в исследуемом образце, и хорошие метрологические характеристики. Длина тепловой ячейки в предлагаемом устройстве на 30% меньше, чем в прототипе, соответственно, меньше и размер внутренней полости рабочей камеры при одновременном расширении функциональных возможностей. В качестве 1-ого эталона могут быть применены другие более эффективные теплоизоля- торы, при этом общая длина рабочей камеры еще более уменьшится, а точность определений возрастет.

Параллельное многократное проведение измерений на образцах из стекла KB при всестороннем давлении показывает, что разброс значений теплопроводности и

температуропроводности в предлагаемом изобретении на 0,3% меньше, чем в прототипе.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет проводить определение тепло- физических свойств пористых материалов при воздействии на образец разностного внешнего и внутрипорового давлений и повышает точность измерения.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Устройство для определения теплофизических свойств материалов, содержащее рабочую камеру с крышкой, два эталона, располох енные с зазором для исследуемого образца, окруженного непроницаемой оболочкой, закрепленной на боковой поверхности эталонов, плоский источник тепловых колебаний, помещенный на границе первого эталона с зазором и соединенный

через генератор тепловых колебаний с блоком управления и регистрации, дифференциальную термопару, помещенную на торцах второго эталона и подключенную через предварительный усилитель постоянного тока к системе управления и регистрации, систему задания давления, один канал которой связан с полостью, образованной непроницаемой оболочкой и торцами эталонов, а второй подключен к рабочей камере, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения за счет определения теплофизических свойств пористых материалов при воздействии на образец разноосного внешнего и внутрипорового давления повышения точности, оно дополнительно содержит систему задания и регистрации осевого давления, первый эталон выполнен в виде подпятника, второй эталон - поршня, входящего в отверстие крышки рабочей камеры, а теплофизи- ческие свойства эталонов удовлетворяют соотношению

45

20,

50

где AJ и ai - соответственно теплопроводность и температуропроводность первого и второго эталонов

Использование: в измерительной технике, в частности при определении теплофизи- ческих свойств пористых материалов путем воздействия на исследуемый образец раз- ноосного внешнего и внутрипорового давлений. Сущность изобретения: в устройство введена система задания и регистрации осевой нагрузки, подпятник и поршень, входящий в отверстие крышки рабочей камеры, причем подпятник и поршень являются одновременно первым и вторым эталонами, теплопроводность и температуропроводность которых удовлетворяют соотношению, приведенному в формуле изобретения. 1 ил.