Устройство для измерения теплопроводности и температуропроводности материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности и температуропроводности материалов в широком интервале температур.

Известно устройство дпя измерения теплопроводности и температуропроводности твердых тел, содержащее исследуемый образец с введенными в него термопарами, генератор периодического теплового потока, измеритель разности фаз и вольтметр. В результате периодического теплового воздействия генератора на одну из поверхностей образца в нем распространяется температурная волна. Измеряя отношение амплитуд либо разность фаз колебаний температуры в двух точках образца, определяют его температуропроводность, а по величине теплового потока и градиента температуры - теплопроводность образце. Недостаток устройства состоит в том, что измерение амплитудных значений слабых периодических сигналов, а тем более разности их фаз приводит к потере точности Кроме того, на погрешность измерений оказывает влияние неидентичност, термопар, погрешность тррмостатирования холодных спаев, нелинейность генератора теплового потока и т.д.

Наиболее близким по своей суи.ности к заявленному техническому решению является выбранное в качестве прототипа устройство, состоящее из двух образцов

VJ X

О 00 VJ

Ю

термостатов, дифференциальной термопары, источника опорного напряжения, регулятора и нагревателя. Нагреватель располагается между двумя идентичными образцами, находящимися в тепловом контакте с термостатами. Горячий спай термопары введен в один из образцов, а холодный расположен на термостатируе- мой поверхности образца. Положительный электрод термопары подключен к инвертирующему входу регулятора, неинвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - с нагревателем. Элементы устройства, соединенные в указанной последовательности, образуют замкнутую систему автоматического регулирований САР с тепловой обратной связью через исследуемый образец. При критическом значении коэффициента усиления регулятора в САР возникают автоколебания, по частоте которых находят температуропроводность, а по критическому значению коэффициента усиления - теплопроводность образца.

Данное устройство обладает невысокой разрешающей способностью и сравнительно большой случайной погрешностью. Тепловая обратная связь в устройстве, осуществляемая тепловым потоком, можна лишь при наличии в образце градиента температуры , где д- толщине образца. Измеряемые теплофизические характеристики ТФХ являются средними для интервала температуры А Т Это не позволяет разрешить тонкую структуру температурных зависимостей ТФХ, например, фазовые переходы второго рода. Вторым недостатком устройства является высокое критическое значение коэффициента усиления регулятора. Его величина 8 полной петле обратной связи имеет порядок 10 , что обусловливает высокий уровень низкочастотного шума и флуктуации. Это приводит к неустойчивости автоколебаний и увеличению случайной погрешности измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерений и разрешающей способности устройства за счет устранения температурного градиента в образце и снижения критического значения коэффициента усиления.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения теплопроводности и температуропроводности материалов, содержащее исследуемый образец, термостат, дифференциальную термопару, источник опорного напряжения, регулятор и нагреватель, соединенные в замкнутую систему автоматического регулирования с

тепловой обратной связью через образец, дополнительно введен эталонный образец, который расположен между термостатом и нагревателем, причем одна из поверхностей исследуемого образца находится в тепловом контакте с нагревателем, а вторая теплоизолирована и находится в контакте с горячим спаем дифференциальной термопары. При работе САР в стационарном ре0 жиме выделяемая в нагревателе мощность через эталонный образец поступает в термостат и в исследуемом образце градиента температуры не возникает. При работе САР в режиме автоколебаний обратная связь

5 осуществляется только температурной волной, распространяющейся в исследуемом образце. Амплитуда колебаний температуры ведет себя как Уе , где Е (А - АС)/АС . Здесь А - бифуркационный параметр, свя0 занный с коэффициентом усиления К соотношением К СА(А-2), а Ас и Кс - критические значения А и К, С - приборная константа. При К А , а амплитуда колебаний температуры Т0 (Е . х) стремится

5 к нулю как Ј .

Следовательно, с помощью коэффициента усиления регулятора амплитуда колебаний температуры может быть сделана сколь угодно малой и тем самым повышена

® разрешающая способность устройства. Повышение точности измерений достигается за счет снижения критического значения бифуркационного параметра Ас. Если в прототипе Ас - 34,6415, то в заявляемом

5А

устройстве Ас - 248596 -Д (1 ). где

о

д - толщина, а / - теплоеая активность. За счет изменения толщины эталона либо образца можно изменять критическое значе0 ние бифуркационного параметра, следовательно, и коэффициента усиления.

На чертеже приведен пример конкретного выполнения устройства.

Устройство для измерения теплопро5 водности и температуропроводности материалов состоит из исследуемого образца 1, нагревателя 2, эталонного образца 3. термостата 4, дифференциальной термолары 5, предусилителя 6, источника 7 опорного на0 пряжения, регулятора 8 и измерителя 9 час- доты.

Образец из полиметилметакрилата (ПММА) имеет форму параллелепипеда размерами 12 х 6 х 4 мм. Одна из поверхностей

5 образца находится в тепловом контакте с эталоном, а к свободной поверхности приклеены восемь спаев многозаходной МК- термопары, Холодные спаи термопары смонтированы на термостате. Эталоном 3

служит параллелепипед из ситалла 13 х 6 х 0,3 мм, на одну из поверхностей которого напылен резистивный слой Co-Sl-B с подслоем V-AI. Резистивный слой расположен между образцом и эталоном и выполняет роль нагревателя 2. Тепловой контакт между образцом 1, эталоном 3 и термостатом 4 обеспечивается теплопроводящей смазкой. Для созданий адиабатических условий на свободных поверхностях образца и эталона весь измерительный узел помещен в вакуум.

Предусилитель 6 выполнен на микросхеме К140УД13 и имеет коэффициент усиления 40. Постоянная времени г интегратора на выходе предуеил«теля удовлетворяет условию т « П , где П - период автоколебаний системы. Регулятор 8 представляет собой инструментальный усилитель, собранный на трех микросхемах К153УД5А.Б по известной семмрезисторной схеме. Коэффициент усиления регулятора может изменяться в пределах 100-5 103. Для усиления мощности выходного сигнала служит эмиттерный повторитель (КТ972).

Выводы восьмизаходной МК-термопа- ры 5 подключены к предусилителю б, выход которого соединен с инвертирующим входом регулятора 8. К его неинвертирующему входу подключен источник опорного напряжения 7. Выход регулятора соединен с нагревателем 2 и измерителем частоты 9. Соединенные в данной последовательности элементы устройства образуют замкнутую САР. Ее работа описывается уравнением САР

Тэ(х, t) - аэТэ(х, t): t0(x. ri a0T0H(x. t); Ta(0.t)-0: Тэ(3э) Т0(бо): Т0Г(х. t)/x-№

Oj

(1) 40

(уЦТэ -АоТо )

$ S R

Кг

„. X

х U0 а То (дэ + W)f ха U -аТ0(дэ -f o0,t)

где Тэ(х, t) - температура эталона;

To(x, t) - температура образца;

a - коэффициент температуропроводности:

Я- коэффициент теплопроводности;

д - толщина;

а- коэффициент термо-ЭДС термопары;

S - площадь нагревателя:

R - его сопротивление;

К - коэффициент усиления регулятора;

Uo - опорное напряжение:

а- функция Хевисайда.

Уравнение (1) имеет стационарные решения

U.(D

абэ

Vn2

1) X

(2)

xfe-(),

где D 1-i- SR Uoa&K2.

При возбуждении автоколебаний у задачи (1) появляется периодическое решение Т(х. t) V(x)exp(luJ t), пространственная часть которого V(x) определяется при решении задачи Штурма-Лиувилля, где м - частота колебаний

V3V

м

I О)

Ч(х); Vo(x);

аэЭо

Va(0) - 0; V3 (&) - Vo (4); V0 „-$,,$, - 0;

(3)

«v lv« |X4s Јvo(s.),

5

5

5

0

5

0

+1)/(D-1).

Удовлетворяя последнему граничному условия задачи (3), можно получить условие для волновых чисел

1g k0 до - - 1(4)

и два условия для критического значения бифуркационного параметра

ко до (1 + fa/fa) A e k0 A,:

,(5)

0 kodo(l +/39// 0)Ae k°ibs«nko(50. Условие (4) совместно с законом дисперсии плоских температурных волн ш k22a позволяет получить формулу для вычисления коэффициента температуропроводности

аэ-вш /Эл2.(6)

Любое из равенств (5), а также соотношения DC- 1 2/(Ас2-2 Ac), DC- 1 - SR

0

дают 5э

Ас - - 24,8596 Ґ (1 +

У°°0

2 - 2 Ас Ci Кс2 ,

Ас где Ci

):

(7)

- приборная константа.

/USR

Определяя экспериментально частоту автоколебаний и критическое значение коэффициента усиления, можно по формулам (б) и (7) вычислить температуропроводность и тепловую активность образца.

Экспериментальные исследования теп- лофизических характеристик ПММА в интервале 46-300 К, выполненные с помощью заявляемого устройства, показали, что его разрешающая способность приблизительно на порядок лучше, чем у прототипа, однако дальнейшее увеличение разрешении ведет к снижению устойчивости автоколебаний. Полученные с помощью данного устройства автоколебания по форме много ближе к синусоиде, т.е. не содержит нелинейных искажений шумов и флуктуации. Это позволяет не только повысить точность измерений, но и автоматизировать измерение периода автоколебаний. Достигнутая в результате измерений точность оценивается а 1,5%.

Формула изобретения Устройство для измерения теплопроводности и температуропроводности материалов, содержащее исследуемый образец, термостат, дифференциальную термопару, источник опорного напряжения, регулятор

и нагреватель, соединенные в замкнутую систему автоматического регулирования с тепловой обратной связью через образец, отличающееся тем, что. с целью

повышения точности измерений и разрешающей способности устройства, в него дополнительно введен эталонный образец, который расположен между термостатом и нагревателем, причем одна из поверхностей исследуемого образца находится в тепловом контакте с нагревателем, а другая - теплоизолирована и находится в контакте с горячим спаем дифференциальной термопары.

Изобретение относится к теплофизиче- ским измерениям. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемый и эталонный образцы находятся в тепловом контакте через расположенный между ними нагреватель. Свободная поверхность эталона термостатирована, а свободная поверхность образца теплоизолирована и находится в контакте с горячим спаем дифференциальной термопары. Холодный спай термопары находится на поверхности термостата. Положительный электрод термопары подключен к инвертирующему входу регулятора, неинвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - с нагревателем. Элементы устройства, соединенные в такой последовательности, позволяют осуществить обратную связь в режиме автоколебаний только температурной волной, распространяющейся в исследуемом образце. 1 п.ф 1 мл. to