Дифференциальный способ измерения теплопроводности материала Советский патент 1979 года по МПК G01N25/18 

1

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению теплопроводности материала и конструкций и Может быть использовано в измерительной технике, радиотехнике, приборостроении и автоматике.

Известен способ измерения теплопроводности, основанный, например, на создании в образце нестационарного температурного поля и определении резонансных частот механических колебаний o6iразца во времени 1 .

Недостатками этого способа являются сложность, недостаточная точность и невозможность проведения измерений теплопроводности материалов и конструкций на различных участках. Это снижает эффективность этого способа и не позволяет автоматизировать процесс измерения теплопроводности материалов и конструкций.

Ближайшим техническим решением является способ определения теплопроводности материалов, основанный на

Сравнении теплопроводности образца и эталона, например, с помощью пьезоэлектрического датчика, вычислении по температурному перепаду на эталонном образце теплового потока, затем, без изменения мощности излучателя, установлении на том же расстоянии от него испытуемого образца и измерении на нем температурного перепада, и определении по известной величине теплового потока коэффициента теплопроводност материала 21 .

Недостатками такогх) способа являют относительно большие инструментальные погрешности измерения температурного перепада за счет ошибок, возникающих из-за неточности поддержания и измерения мощности излучателя теплового потока, а также разнесение во временя измерений образцов.

Цель предлагаемого изобретения повышение точности, упрощение и автоматизация процесса измерения теплопроводности материала. Она достигается тем, что измеряют начальную температуру образца и эта лона, нагревают anit охлаждают одну иа эквивалентных поверхностей образца и эталона, по изменению частоты реги стрируют изменение температуры во времени контролируемых эквивалентны поверхностей образца и эталона, измеряют времена экстремальных значений разностей частот, по которым определяют теплопроводность. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, представляющег один из вариантов реализации предлагаемого способа определения теплопроводности материала, где 1 - эталонный образец; 2 - измеряемый образец 3 - излучатель энергии, содержащий преобразователь энергии в изменение температуры и устройство равномерного распределения изменения темпера туры по эквивалентньп активизируемым поверхностям образцов 1 и 2; 4, 5 и 6 - преобразователи изменения температур, на контролируемых поверх ностях образцов, в сигналы изменения резонансной частоты; 7 и 8 - смесители сигналов изменения резонансных частот; 9 и 1О - счетчики частоты, содержащие компараторы частот; 1.1 и 12, -4.счетчики интервалов времени; 13 - сумматор сигналов интервалов времени; 14-кварцевые часы с программным устройством, регламентирующим процесс измерения. На фиг. 2 представлена временная диаграмма определения положений экстремальных значений сигналов разностных частот относительно момента начала процесса измерения теплопровод ности материала на шкале времени. Устройство измерения теплопроводности материала работает следующим образом. В начальный момент процесса изме ния теплопроводности материала включ ют кварцевые часы 14, которые одноврюменно включают излучатель 3 энергии, преобразователи 4, 5 и 6 изменения температур в сигналы изменения резонансной частоты, смесители 7 и 8 частот, счетчики 9 и 10 частотм счетчики 11 и 12 интервалов времени сумматор 13 интервалов времени. Сигнал кванта энергии, например, электрического тока, света, стабилизир ванных колебаний частоты, электромагнитного поля, давления, удара, взр 64 ва, химической реакции и т. д., получаемый с выхода излучателя 3, преобразуют в преобразователе излучателя в сигнал тепла или холода, например, в нагревателе или холодильнике, и подводят его одновременно, через устройство равномерного его распределения по площади, к эквивалентным активизируемым поверхностям образцов и к пре- , образователю 6 изменения температуры в изменение резонансной частоты. В качестве устройства равномерного распределения сигналов тепла или холода по площади эквивалентных активизируемых поверхностей образцов могут быть использованы, например, тепловые трубки, зеркальные излучатели, оптические преобразователи, лазерные квантовые устройства и т. д. В качестве преобразователей 4, 5 и 6 изменения температур в сигналы изменения частот могут быть использованы, например, пьезоэлектрические или квантовые управляемые температурой генераторы частоты. Величина кванта энергии излучателя для повышения точности регламентируется, в частности, сигналами начала и конца эталонного интервала времени, формируемого кварцевыми часами 14. Получаемый ft выхода излучателя 3 сигнал тепла или холода создает в образ - цах тепловые потоки, изменение которых приводит к изменению температур на их эквивалентных активизируемых и пассивных поверхностях. С помощью преобразователей 4, 5 и 6 сигналы изменения тепловых потоков, проходящих через сечения эталонного и измеряемого образцов, преобразуют в сигналы изменения частот. Сформированные в преобразователях 4, 5 и 6 сигналы частот поступают на входы смесителей 7 и 8 частот. С выхода смесителей частот сигналы разностных частот поступают для регистрации на счетчики частот, содер- жащих компараторы экстремумов значений этих частот. Изменения значений этих частот характеризует процесс изменения температур на соответствующих контролируемых эквивалентных активизируемых и пассивных поверхностях образцов 1 и 2. При достижении экстремумов значений соответствующих сигналов разностных частот в компараторах счетчи

56

ков формируются сигналы выключения счетчиков 11 и 12 времени.

По полученным в счетчиках значениям устанавливают значение интервалов времени между моментом начала процесса измерения теплопроводности материала и моментами достижения экстремумов знйчений сигналов разностных частот.

По времени достижения экстремумов сигналов разностных частот в сумматоре 13 определяют знак расположения на шкале времени значения экстремума разностной частоты измеряемого образца относительно экстремума сигнала разностной частоты эталонного образца (фиг.2)

Затем, зная коэффициент теплопровоаности эталонного обрааха и коэффициенты эквивалентности активизируемых и пассивных контролируемых поверхностей определяют величину теплопроводности материала измеряемого образца по зна чению отношения большей величины времени к меньшей величине времени, учитывая при этом знак расположения упомянутых экстремальных значений сигналов разностей частот на шкале времени.

Определение величины теплопроводности образца производят следующим образе ivi

,

где Лоб - теплопроводность образца; АЭТ теплопроводность эталона; К - коэффициент, характеризующий отношение времен экстремальных значений разностей частот.

Предлагаемый способ определения теплопроводности материала обладает следующими технике-экономическими преимуществами.

1. Повышает точность измерения теплопроводности материалов, так как и в предлагаемом способе используются наиболее перспективные преобразователи температура-частота. Термо- преобразователи, например, на основе пьезоэлектрических устройств, имеют

66

высокую линейность (около О,О2% на ЮО ), дрейф нуля не превышает O,Ol , воспроизводимость при долговременной нестабильности генератора, порядка 10 соответствует 0,001 .

2.Упрощает процесс измерения, позволяет его автоматиз1фовать и соответственно удешевить.

3.Позволяет прюстыми методами с высокой точностью проводить исследование и измерение параметров конструкций, например, термостатов.

4.Открывает возможности проектирования ряда новых устройств измерения

теплофизических параметров различных материалов.

5.Позволяет определить теплопроводность любых конкретных конструкций, находящихся в месте их эксплуатации.

Формула изобретения

Дифференциальный способ измерения теплопроводности материала, основанный на сравнении теплопроводности образца и эталона, например, с помощью пьезоэлектрического датчика, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения точности, упрощения и автоматизации процесса измерения теплопроводности материала, измеряют на чальную температуру образца и эталона, нагревают или охлаждают одну из эквивалентных поверхностей образца и эта лона, по изменению частоты регистрируют изменение температуры во времени контролируемых эквивалентных поверхностей образца и эталона, измеряют времена экстремальных значений разностей частот, по которым определяют теплопроводность.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР

N9 342117, кл. 6 01N 25/18, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР

№ 211835, кл. 0 01N 25/18, 1965.

г

A