Способ определения характеристик расплава Советский патент 1993 года по МПК G01N25/00 

№

С

Сущность изобретения: в контролируемую зону расплава вводят три тепловоспри- иимающих элемента с теплофизическими характеристиками материалов, из которых они изготовлены, удовлетворяющими соотношению ai ан-1, где ai - коэффициент температуропроводности 1-го элемента. С помощью термодатчиков измеряют температуры тепловоспринимающих поверхностей элементов и температуры не менее, чем в двух точках по ходу теплового потока q через тепловоспринимающие элементы. Путем совместной обработки температурных измерений определяют температуру расплава, коэффициент теплоотдачи от расплава к тепловоспринимающим элементам и интенсивности тепловыделений в зоне расплава. Для обеспечения одномерного теплового потока через тепловоспринимающие элементы они окружены теплоизоляцией.

Изобретение относится к физико-химическому анализу материалов, в частности к способам исследования материалов с помощью тепловых средств.

Цепью изобретения является повышение точности, расширение диапазона использования и функциональных возможностей способа в область нестационарных процессов за счет комплексного одновременного определения температуры расплава Тр(т), коэффициентов теплоотдачи о(Т) от расплава к тепловоспринимзющим элементам и интенсивности тепловыделений A q( г) от взаимодействия тепловоспринимающих элементов с расплавом.

На чертеже приведена тепловая схема устройства для реализации предложенного способа.

Показано введение в контролируемую локальную зону 1 расплава тепловоспринимающих элементов 2, 3, 4. Для измерения температур по ходу теплового потока (q) в тепловоспринимающих элементах 2, 3, 4 они оснащены термодатчиками 5. С целью создания одномерного теплового потока через тепловоспринимающие элементы 2,3, 4 они помещены в теплозащитный материал 6 с низким коэффициентом теплопроводности (например, керамика).

Способ включает следующие операции. В контролируемую зону 1 расплава вводят три тепловоспринимающих элементах 2, 3, 4 с теплофизическими характеристиками материалов, из которых они изготовлены, удовлетворяющими соотношению

а ai-и.(1)

В реализованном примере использовались тепловоспринимающие элементы из различных сортов керамики, в процессе изсо

N3 00 СЛ

Јь

СЛ

со

готовления которых устанавливались термодатчики 5.

Тепловой поток от расплава 1 передается тепловоспринимающим элементам 2, 3,4 и далее путем теплопроводности проходит по ним. В результате того, чтотеплофизиче- ские характеристики материалов, из которых изготовлены тепловоспринимающие элементы 2, 3, 4 различны, будут различны и плотности тепловых потоков qi, отводимых по таким элементам. Из-за различия тепловых потоков температуры Т| наружных поверхностей тепловоспринимающих элементов 2, 3, 4 будут также различны.

В этом случае можно записать замкнутую, хорошо обусловленную систему уравнений процесса теплообмена наружной поверхности тепловоспринимающих элементов

qi(r) «СПРП-рй-ТО + Дчф, 1 1,2,3.(2)

Эта система уравнений представляет собой систему трех уравнений с тремя неизвестными а (Т), Тр(г), Д q(r).

Решая систему уравнений (2) относительно неизвестных а (Т), Тр( т), Л q( т), можно получить

Q.m-llq c + т «О- тГф-тнмСт)1 (J)

T -T ;;g:;:;g.. (г)-Ф(т)

(TM(r)-Ti(r)).

После погружения тепловоспринимающих элементов 2, 3, 4 в контролируемую зону расплава измеряют температуры Ti элементов 2, 3, 4 и температуры не менее, чем в двух точках по ходу теплового потока q через тепловоспринимающие элементы 2,3.4.

По результатам температурных измерений вычисляют тепловые потоки qi (r), отводимые по теплоотводящим элементам, из решения обратной задачи теплопроводности, постановка которой для рассмотренного случая имеет вид

a,c,,Th dti(x.r)-J-aгтл3t (x-r)

qiCi(ri) эг - xlM Oax

Xi Ј a, bt, r € (0,

Ti(X,0)-fi(X),Xe{a,

Ti(Xj, r) f I,J(T}, r€ (0,

(.)4СТ,

где q, C(T). А (Г) - плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности материала тепловоспринимающего элемента;

Т - температура; т - время;

X - координата длины теплоотводящего элемента;

Xj - координата точки измерения температуры;

I 1, 2, 3 - количество тепловоспринимающих элементов;

j 1k - количество точек измерения

0 температуры.

После чего с помощью зависимостей (3)-(5) определяют искомые параметры.

Таким образом путем совместной обработки температурных измерений проводит5 ся комплексное одновременное определение коэффициентов теплоотвода от расплава к тепловоспринимающим элементам, температуры расплава и интенсивности тепловыделений от взаимодействия

0 тепловоспринимающих элементов с расплавом, что позволяет исключить погрешность, присущую известному способу (например , изменение температуры на границе раздела поверхность тепловоспринимающего

5 элемента - расплав) и повысить точность способа. Погрешность получаемых в этом случае результатов до уровня погрешности непосредственных измерений температуры.

0 Одновременно становится возможным проводить измерения независимо от степени нестационарности исследуемого процесса, что расширяет диапазон использования способа,

5 Кроме этого, за счет комплексного одновременного определения наряду с температурой расплава параметров, определяющих процесс теплового взаимодействия в контролируемой зоне расширяются функцио0 нальные возможности способа по идентификации исследуемого процесса.

Таким образом, повышается точность, расширяется диапазон использования и функциональные возможности способа.

5 Предполагаемый экономический эффект от предложенного способа, позволяющего с высокой степенью точности проводить комплексный оперативный контроль характеристик расплава, выражается в

0 сокращении затрат производства, связанных с получением и использованием расплавов, повышении качества получаемой продукции, процентном снижении бракованной продукции.

5 Формула изобретения

Способ определения характеристик расплава, заключающийся в том. что в контролируемую зону расплава вводят тепло- воспринимающие элементы с термодатчиками, измеряют температуру

расплава и судят по ней о характеристиках расплава, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, расширения диапазона использования и функциональных возможностей способа в области неста- ционарных процессов за счет комплексного одновременного определения температуры расплава Тр(т), коэффициентов теплоотдачи о(Т) от расплава к тепловоспринимающим элементам и интенсивности тепловыделе- ний Aq(t) от взаимодействия тепловоспри- нимающих элементов с расплавом, в контролируемую зону вводят три тепловос- принимающих элемента с теллофизически- ми характеристиками материалов, из которых они изготовлены, удовлетворяющими соотношению

ai ан-i.

где ai - коэффициент температуропроводности 1-го элемента, измеряют температуры тепловоспринима- ющих поверхностей элементов и температуры не менее чем в двух точках по ходу теплового потока через тепловослринимаю- щие элементы, по результатам температур- ных измерений определяют локальные

2 4 И 3

тепловые потоки qi( т), отводимые по тепло- воспринимающим элементам, определяют коэффициенты теплоотдачи о(Т) от расплава к тепловоспринимающим элементам, температуру расплава Тр(т) и интенсивность тепловыделений Aq(t) от взаимодействия тепловоспринимающих элементов с расплавом по формулам

п-1 $&Ј$1

w-T a i;g:qT;:;{g.-.

Aq(r))

(TM(r)-Ti{r)j.

где Ты( т), Ti( т), Ti+i( z) и ды( т), qi( г), qi-n( т) - температуры и тепловые потоки тепловоспринимающих поверхностей тепловоспринимающих элементов;

F - площадь тепловоспринимающей поверхности, и судят по ним о характеристиках расплава.