Устройство для комплексного измерения теплопроводности и теплоемкости Советский патент 1981 года по МПК G01N25/18 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕМКОСТИ

Изобретение относится к тепловым испытаниям материалов, а именно к ис следованию теплопроводности и теплоемкости твердых материалов. Известно устройство для измерения теплопооводности и температуропровод ности твердах материалов на образцах в виде пластин, в котором плоский об разец установлен между основанием и стержнем. Для обеспечения плотного прилегания контактных поверхностей образца к основанию и стержню последний прижимается к образцу иголкой в точке, расположенной на оси стержня вблизи поверхности контакта с о азцом. Это обеспечивает плавающую установку стержня и позволяет исключить ошибки за счет клиновидности образца и перекоса плоскости основания относительно оси устройства f 1 }. Недостатком устройства является сложность крепления стержня к иголке и необходимость в дополнительных дета лях, предотвращающих вращение стержня, что ведет к снижению точности из- .Jr мерений. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения теплофизических характеристик материалов, в котором исследуемый образец, размещенный в разъемной теплоизоляционной оС«элочке, зажимается между двумя теплопроводящими металлическими блоками с нагревателями и термоприемниками, вблизи контактных поверхностей которых заделаны термопары. Нижняя пластина имеет две степени свободы за счет конусной нижней опорной поверхности. Поворот пластины происходит относительно вершины конуса при ее нагружении. Верхняя контактная пластина выполнена в виде стакана, перемещающегося вдоль оси измерительного устройства по направляющей цилиндрической поверхности. Поэтому у нее плбскость контакта с образцом оказывается жестко зафиксированной относительно оси устройства. При наличии 3s клиновидности у образца при сжатии ег контактными пластинами происходит поворот плоскости нижней контактной пластины, т.е. ее самоустановка по поверхности образца 2J. Недостатком такого устройства является цанга, которая крепится за счет трения к иголке-хвостовику и oi- раничивает осевое перемещение и враще ние пластины вокруг оси. Термопара, измеряющая температуру поверхности нижней пластины, монтируется внутри иголки-хвостовика вдоль направления теплового потока. Поэтому измеряе мая ею ) температура искажена значительной систематической погрешностью. Другим существенным недостатком является то, что в нижнюю контактную пластину трудно вводить дополнительные элементы: нагреватели, термобатареи и др., так как это приводит к увеличению толщины пластины и, следо вательно, увепичению расстояния от вершины опорного конуса до контактной поверхности. С увеличением этого расстояния уменьшается вращающий момент, приводяв(ий к самоустаиовке пла тины. А следовательно, кяиновидность образца убирается не полностью, оста точный клиновой зазор между образцом и контактной пластиной приводит к по грешности измерения теппофизических характеристик. Цель изобретения - повышение точности измерения теолопроаодмости и теплоемкости. Поставленная цель достигается тем что в устройстве для комплексного из мерения теплопроводности и теплоемко ти, состоящем из разъемной теплоизоляционной сопочки, расположенных внутри нее теплопроводян1их блоков с нагревателями и термоприемниками, те лопроводящих контактных пластин, закрепленных на лицевых обращенных дру к Другу поверхностях блоков, термоприемников и нагревателей, расположенных в контактных пластинах, контактные пластины закреплены на лицевых поверхностях теплопроводящих бло ков трубками, параллельными лицевым поверхностям блоков и перпендикулярными друг другу, с возможностью вращения каждой контактной пластины вок руг трубок в пределах угла до 1-5. Кроме того, в трубках смонтированы териоприемники. Трубки одновременно используются для монтажа термопар в контактных 34 пластинках. Взаимно перпендикулярное расположение осей трубок позволяет контактным пластинам устанавливаться по образцу независимо от того, в какую сторону направлен клин образца. На чертеже изображено устройство для комплексного измерения теплопроводности и теплоемкости. Оно состоит из разъемной теплоизоляционной оболочки 1, внутри которой на стойках 2 закреплены теплопроводящие блоки 3 и f. На лицевых, обращенных друг к другу поверхностях блоков 3 и закреплены контактные, пластины 5 и 6 на трубках 7- Причем оси трубок параллельны лицевым поверхностям блоков и перпендикулярны друг другу. В контактных пластинах смонтированы нагреватели 8 и 9 а в блоках - нагреватели 10 и 11. В качестве термоприемников использованы термопары. В трубке 7 верхнего блока 4 монтируются термопары и спай дифференциальной термопары 12, а в нижнем блоке 3 термопара и спай дифЛеренциальной термопары 13. Исследуеилй образец 14 зажимается между конTaKTHbiJvM пластинами 5 и 6. Устройство работает следующим образом. Образец k устанавливают на нижнюю контактную пластину 5 и закрывают теплоизоляционную оболочку 1. Верхняя контактная пластина б под весом верхнего блока А устанавливается по образцу. При наличии клиновидности в образце и при перекосе относительно друг друга лицевых поверхностях блоков контактные пластины развернутся относительно осей трубок 7 обеспечивая тем самым плотное прилегание к плоскостям образца. На протяжении всего опыта между контактными пластинами и блокак 1, к которым они крепятся, поддерживаются нулевые перепады температур. Автоматическое поддержание нулевых разностей температур осуществляется с помощью дифференциальных термопар 12 и 13, подключаемых на вход регуляторов температуры..Выходной сигнал регуляторов подводится к нагревателям 10 и 11 блоков. В начале измерений на один из нагревателей, например, нижней контактной пластины подается постоянная мощность W. Под действием постоянной мощности Wf, через время ре гуляризацииТрег в системе тел, состоящей из образца и прилегающих к нему контактных пластин, устанавливает5ся монотонный тепловой режим. Прово дятся измерения мощности нагревател ц, перепада температуры на образце и скоростей разогрева нижней Ьр„ и верхней Ьпв контактных пласти После этого выключают нагревател нижней пластины и включают нагреватель верхней пластины, подавая на него такую же мощность ( W). Вновь дожидаются регуляризации температурного поля в системе тел и про водят измерение тех же величин: ЧэБр пн пв Полученные данныё используют для расчета теплопроводности и теплоемкости материала. Расчетные формулы получают из системы уравнений теплового баланса. При включении нижнего нагревателя:W (Сн4.Ст+Св)-Ьн (1) fw- (0,5Стч.Св|ь«(2) При включении верхнего нагревателя : W (Сн+Ст + Св) bg(3) (0,5Ст+Сн) Ье (М где С, m - удельная теплоемкость и масса образца ( С - полные теплоемкости кон тактных пластин, Ьц, bg - средние скорости разогрева системы тел при включении нижнего и вер него нагревателей. Теплоемкости пластин подбирают р ными друг другу, т.е. С. Су марную их теплоемкость Сц + Сд 2С определяют из градуировочного опыта Средние скорости определяют по скоростям нижней Ьпц и верхней кон тактных пластин, измеряемым в опыте ЬБ 0.5(Ьпц + Ьпв). Из уравнения (1) получают формул для расчета теплоемкости W н + Cg) Формулу для расчета теплопроводности получают суммированием леп 3 частей ВОЙ и правой уравнении (2) и (if) УУ() Х-5 /..Н ..В (VoV р ) 2 w(tB -feti)b ) Преимущества устройства состоят в том, что повышается точность измерения теплопроводности и теплоемкости за счет надежного прилегания образца к пластинам, повышается в 2 раза надежность устройства. За счет совмещения во времени измерения теплопроводности и теплоемкости, также в 2 раза возрастает его производительность. Формула изобретения Устройство для комплексного измерения теплопроводности и теплоемкости, состоящее из разъемной теплоизоляционной оболочки, расположенных внутри нее теплопроводящих блоков с нагревателями и термоприемника «1, теплопроводящих контактных пластин, закрепленных на лицевых, обращенных друг к другу поверхностях блоков, термоприемников и нагревателей, расположенных в контактных пластинах, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, контактные пластины закреплены на лицевых поверхностях теплопроводящих блоков трубка «1, параллельными лицевым поверхностям блоков и перпендикулярными друг другу, с возможностью вращения каждой контактной пластины вокруг трубок в пределах угла до 1-5 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в трубках смонтированы термоприемники. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Платунов E.G. Теплофизические измерения.В МОНОТОННОМ режиме. Л., Энергия, 1973, с. 106. 2.Авторское свидетельство СССР № 3l§98t, кл. G 01 N Z5/18, 1971 (прототип) .