Устройство для определения теплопроводности твердых материалов Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

() УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

I

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть ис- пользовано для определения коэффициентов теплопроводности твердых материалов и изделий, включая микрообъекты.

Известно устройство для определения коэффициента теплопроводности материалов, содержащее нагреватель и расположенные по обе стороны от него пакеты, собранные из пластин исследуемого материала и металлических пластин с термопарами, причем в кажг дом пакете помещено по две пластины исследуемого материала неравной толщины, которые расположены несимметрично относительно нагревателя, о толстые и тонкие пластины разных пакетов попарно равны между собой по толщине. Если предположить, что термические сопротивления и перепады температур для обоих пакетов одинаковы, то величина теплового потока, проходящего через пакеты, будет равна половине мощности, подведенной к |нагревателю, а разность температур, измеренная термопарами в металлических пластинках, будет соответствовать перепаду температур на слое исследуемого материала, равному разности между толщинами пласЧин каждого пакета ГП.

Недостатками этого устройства являются необходимость в четырех оди10наковых исследуемых образцах, что приводит к удорожанию эксперимента и увеличению затрат времени на его подготовку, ,измерение малой разности температур, необходимость в апISпаратуре для стабилизации мощности нагревателя и ее измерении. При несоблюдении условия равенства перепадов температур на пакетах и при отсутствии попарного равенства толщины

20 образцов точность измерения падает.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения теплопроводности, содержащее два 3-v идентичных измерительных блока, кэж дыйиз которых оснащен тер.мостатируемой камерой, выполненной в виде проточного теплообменника, в поверхность которого вмонтированы тепломер и датчик температуры поверхности образца, а также механизм перемещения и установки измерительных блоков и измерительную схему. Коэуффициент теплопроводности в этом устрой стае определяют по среднеарифметической плотности теплового потока, прошедшего через исследуемый образец, по толщине образца и разности температур . Однако трудности, связанные с гра дуировкой тепломеров и термопар после сборки прибора, возможность испытывать образцы только большого диаметра 100 мм , необходимость в измерении разности температур приводит к необходимости использовать разные вторичные приборы для измерения си|- налое тепломеров и термопар. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определени теплопроводности твердых материалов, содержащем два идентичных измерительных блока, каждый из которых ocHauieH термостатируемой камерой тепломером и датчиком температуры поверхности образца, а также механизм перемещения и установки измерительных блоков и измерительную схе му, в каждый измерительный блок введен полый цилиндрический ctepжeнь из высокотеплопроводного материала, кон тактирующий с тепломером по боковой поверхности, а с датчиком температуры поверхности образца - по торцовой, в полости которого установлен градуирукнций элемент в виде источника регулируемой мощности, а тепломеры выгюпнены идентичными с заданными терм1 йебки и сопротивлениями. I На чертеже приведена конструктив ная схема устройства. Устройство содержит два идентичных измерительных блока, каждый из которых оснащен термостатируемой ка мерой I, выполненной в виде проточно го теплообменника, в который вмонтирован тепломер 2, выполненный 6 виде трубы и контактирующий по наруж ной поверхности с термостатирующей камерой 1, а по внутренней поверх2ности - с полым цилиндрическим стержнем 3, выполненным из высокотеплопроводного материала (меди, серебра) с вмонтированным в его полость источником Ц регулируемой мощности (например, электронагревателем). На торцовой поверхности стержня 3 установлен датчик 5 температуры, служащий для измерения температуры поверхности исследуемого образца 6 и для определения температуры отнесения. Для предотвращения возникновения конвективных потоков и уменьшения боковых потерь исследуемый образец 6 окружен защитными цилиндрическими муфтами 7, выполненными из высокотеплопроводного материала и контактирующими с термостатируемыми камерами 1. Кроме того, стабильности измерений способствует наличие подвижной изоляционной муфты 8, ограничивающей тепловые потери термостатирующих камер 1 и защитных муфт .7. Нижний измерительный блок закреплен неподвижно на основании прибора 9, а верхний измерительный блок соединен с подвижным винтом 10 механизма перемещения и установки верхнего измерительного блока. Предлагаемое устройство позволяет определять теплопроводность исследуемого образца 6 как абсолютным методом, так и методом теплометрического моста. При определении теплопроводности абсолютным методом исследуемый образец 6 помещают между торцовыми поверхностями цилиндрических стержней . 3 и с помощью механизма перемещения и установки верхнего блока прижимают образец к поверхностям стержней 3. После чего рабочее пространство закрывают подвижными муфтами 7 и 8, подключают термостатируемые камеры 1 верхнего и нижнего блоков параллельно к одному термостату, нагреватель верхнего блока - к источнику питания, а тепломер 2 нижнего измерительного блока и датчики температуры поверхности исследуемого образца 6 включают в измерительную схему. Закончив сборку устройства, включают термостат, с помощью нагревателя k устанавливают требуемый уровень теплового потока и после достижения стационарного теплового СОСТОЯНИЙ измеряют тепловой поток тепломером 2 нижнего блока и разность температур датчиками 5. Коэффициент теплопроводности определяют по формуле v«Mi где Л коэффициент теплопроводности исследуемого образц толщина и площадь поверхности контакта исследуемо го образца; перепад температур на образце;тепловой поток, прошедший через образец 6 и измеренный тепломером 2; термоЭДС тепломера 2; рабочий коэффициент тепло мера (величина обратная чувствительности). При необходимости опыт может быт проведен с помощью нагревателя нижнегй блока и тепломера 2 верхнего. Для определения величины рабочих коэффициентов тепломеров 2 между стержнями 3 закрепляют батарею дифференциальных термопар (или дополни тельный тепломер).работающую в режи ме нуль-индикатора,подключают оба нагревателя k к источникам тока и подводят к ним мощность, при которой сигнал батареи дифференциал ных термопар равен нулю. Измеряют мощности, подведенные к нагревателям и термо-ЭДС тепломеров 2 и по их отношениям определяют рабочие коэффициенты тепломеров. Для градуировки датчиков температуры поверхности образца 6 между торцами стержней 3 устанавливают плоский эталонный датчик температуры. При отключенных нагревателях Ц прокачивают через термостатируемые камеры 1 теплоноситель с одинаковой температурой и после достижения стационарного режима, при котором показания обоих тепломеров станут равными нулю, измеряют сигналы эталонного и градуируемых датчиков температуры. Из описания методики градуировки устройства следует, что она может быть проведена практически в /вобой теплофизической лаборатории, что является несомненным преимуществом это го устройства, для градуировки которого требуются специальные стенды. При определении теплопроводности исследуемого образца методом тёплометрического моста в измерениях участвуют тепломеры 2 и один из нагревателей i, причем тепломеры 2 являются своеобразными элементами сравнения при определении теплопроводности. Для определения теплопроводности в термостатируемых камерах 1 с помощью нагревателя верхнего блока задают требуемый уровень теплового потока, проходящего через образец и после достижения стационарного состояния измеряют термо-ЭДС тепломеров. Коэффициент теплопроводности рассчитывают по формуле .r : т t-ч-Гполученным из решения нижеприведенной системы уравнений относительно а,(н,+). ./ суммарные термические где R-, и сопротивления, включающие в себя термические сопротивления тепломеров 2, стержней 3 и контактные термические сопротивления;тепловые потоки, измеренные тепломерами 2 нижнего и верхнего измерительных блоков; А и В - постоянные прибора, определяемые путем градуировки устройства по образцам с известной теплопроводности.. Из анализа формулы (1) следует, ято для определения теплопроводности исследуемого образца не требуется измерения перепада температур на образце. Датчики 5 температуры используют при этом методе исследования . только для определения тe м epaтypы отнесения полученных значений коэффициента теппопроводности. Использование в качестве тепловоспринимающего элемента цилиндрического стержня из материала с высокой теплопроводностью, окруженного цилиндрическим тепломером позволяет создать приборы для исследования образцов малого диаметра (от 12 до 2 мм), а использование метода теплометрического

моста дает возможность проводить исследования при малых перепадах температур на образце (510 Юк), что расширяет возможности устройства применительно к исследованию капиллярнопористых влажных материалов.

Как показали испытания опытного образца устройства за счет повышения корректности градуировки при работе абсолютным методом с использованием датчиков температуры, вмонт 1руемых в устройство, относительная погрешность составляет в зависимости от перепада температур на образце 1,5-3,5 %, при работе с датчиками температуры, вмонтированныг4и в образец - 1,5-2.

При работе на устройстве методом теплометрического моста относительная погрешность определения- коэффи- 20 циента теплопроводности даже при перепаде температур в 1 (Г К лежит в пределах 1, %. Формула изобретения Устройство для определения теплопроводности твердых материалов, содержащее два идентичных измерительных блока, каждый из которых оснащен термрстатируемой камерой, тепломером и датчиком температуры поверхности образца, а также механизм перемещения и установки измерительных блоков и измерительную схему, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в измерительный блок введен полый цилиндрический стержень из высокотеплопроводного материала, контактирующий с тепломером по боковой поверхности, а с датчиком температуры поверхности образца - по торцовой, в полости которого установлен градуирующий элемент в виде источника регулируемой мощности, а тепломеры выполнены идентичными с заданными термическими сопротив25лениями. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР W , кл. G 01 N 25/18, 196. 2,Авторское свидетельство СССР № , кл. G 01 N 25/18, 1970 (прототип)t