Устройство для определения теплофизических характеристик материалов Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

1

Изобретение относится к устройствам для теплбфизических.измерений, .8 частности для определения коэффициентов тепло- и температуропроводности материалов.

Известно устройство для определения теплопроводности, содержащее преобразователь мощности, подключенный к крндуктиметру, измеритель разности температур в кондукгиметре, счетно-решающую схему, первый вход которой через компенсационную цепь первого реохорда, запитываемого. постоянным напряжением, соединен с усилителем, за пи ты веющим обмотку управления реверсивного двигателя, вал которого кинематически связан с движками первого и второго реохордов, второй вход схемы соединен с цепью питания второго реохорда, а выход схемы, снимаемый с движка второго реохорда, подкль:)чен к регистратору. Причем преобразователь мощности подключен к пероому входу

схемы, а ко второму входу схемы подключен реостатный выход.автоматического потенциометра, соединенного с измерителем разности температур 1.

Недостатками устройства являются малая точность определения коэффициента теплопроводности при большом динамическом диапазоне (отношение максимального значения к минииаль,HOMyj изменения входных величин, а

10 также длительность определения теплофизических характеристик, обусловленная необходимостью установления необходимого теплового режима.

Наиболее близким k.предлагаемо15му техническому решению является устройство для определения коэффициента теплопроводности, содержащее кондуктиметр, измерители температуры в кондуктиметре, счетно-решающую

70 схему, первый вход которой через первый блок переменных коэффициентов (ВПК) и компенсационную цепь первого реохорда соединен с усили3телем, запитывающим обмотку управле ния реверсивного двигателя, вал которого кинематически связан с движками первого и второго реохордов и с логическим блоком, выход которого кинематически связан с двумя ВПК а второй вход схемы через второй ВПК соединен с цепью питания второго реохорда а выход схемы через движок второго реохорда подключен к регистратору. Причем преобразователь мощности подключен к первому входу схемы, а ко второму входу, схемы подключен реостатный выход автоматического потенциометра, соед ценного с измерителем разности температур f -7. Основным недостатком указанного устройства является длительность определения теплофизических характеристик. Цель изобретения - ускорение эксперимента по определению теплофи зических характеристик исследуемых материалов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения теплофизических характеристик материаловi содержащее кондуктиметр измерители температуры в комдуктиметре, счетно-решающую схему, первый вход которой через первый блок переменных коэффициентов и компенса ционн ю цепь первого реохорда соеди нен с усилителем, запитывающим обмотку управления реверсивного двига теля, вал которого кинематически связан с движками первого и второго реохордов и с логическим блоком, вы ход которого кинематически связан с двумя блоками переменных коэффициен тов, а второй вход схемы через второй блок переменных коэффициентов соединен с цепью питаниявторого реохорда, а выход схемы через движо второго реохорда подключен к регист ратору, дополнительно введен модули рующий блок теплового процесса кондуктимётра и блок управления (ВУ), содержащий две цепи, каждая из кото рых состоит из алгебраического сумматора, усилителя, реверсивного дви гателя и реохордов, причем первый выход моделирующего блока И первый измеритель температуры соединены с первым сумматором, а второй выход моделирующего блока и второй измеритель температуры соединены со вто 24 рым сумматором, выход первого сумматора соединен с первым усилителем ВУ, запитывающим первый реверсивный двигатель ВУ, вал которого кинематически связан с первым входом моделирующего блока и движками трех реохордов ВУ, запитываемых напряжением постоянного тока одинаковой величины, выходные цепи первых двух реохордов соединены, соответственно, с первым и вторым входами первой счетно-решающей схемы, а выходная цепь третьего реохорда ВУ соединена со вторым входом второй счетно-решающей схемы, выход второго сумматора соединен с вторым усилителем ВУ, запитывающим обмотку управления второго реверсивного двигателя ВУ, вал которого кинематически связан с вторым входом моделирующего и движком четвертого реохорда ВУ, запитываемого постоянным напряжением, выходная цепь которого подключена к первому входу второй счетно-решающей схемы. На фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - принципиальная схема устройства; на фиг.З - функциональная схема; на фиг. - схема моделитеплового процесса кондуктиметра. Устройство содержит кондуктиметр с измерителями температуры, счетно-решающие схемы 2 и 3, регистраторы А и 5, блок 6 управления и модель 7 теплового процесса кондуктиметра. Счетно-решающая схема (СPC) 2 (см. фиг.2) состоит из блоков переменных коэффициентов (ВПК) 8 и 9, усилителя 10, реверсивного двигателя (РД) 11, логического блока 12, реохордов Пий. СРС состоит из ВПК 15 и 16, усилителя 17, РД 18, логического блока 19, реохордов 20 и 21. Блок 6 управления содержит алгебраические сумматоры 22 и 23, усилители 24 и 25, РД 2б и 27, реохорды 28-31. Модель теплового процесса кондуктиметра 7 (аналоговый вариант) содержит. (фиг.З) реохорд 32, служащий для задания параметра В, блоки умножения 33 35 инвертирующие операционные усилители Зб.- 38, операционные усилители 39 и АО, интегра59тор AI, блоки 42 - kk, воспроизводящие функции (t), f (t), (t). Блоки Ц2 - 4 оиг., построены на реохордах (5 - 5, интеграторах 55 - 61, инвертирующих операцион- . ных усилителях 62 - 70, операционных усилителях 71 и 72, блоках 73 83 умножения. Устройство работает следующим образом.. Пусть в кондуктиметре1 находится образец, выполненный в виде полуогра ниченного тела, на поверхность которого действует постоянный тепловой поток. Можно показать, что температурное поле в образце имеет следующий вид U(x,t)S i ф.)., (1) л Vat где,и(х,1) - температура в точке с координатой х-в момент времени - , К; g - плотность теплового потока , Вт/м ; а - коэффициент температуропроводности, м/с; А - коэффициент теплопровод . V ; ности, Вт/(М -к). Реги6тр5 руя температуру в двух . тоЧРгах с координатами х О и х получаем U((j,t),i() . BfE , где В -:%- U(l,t) -j . t) -J - j:AB+2ABj - d - В(Т ехр оВыходные сигналы U, U измерителей температуры пропорциональны температурам U{l,t) и lJ(0,t). Кк/и(1, Kr c6frst, U,( Кк2 U(0,t), Kx toflst С) -Аналоговая модель вырабатывает сигналы ии и Кмг, определяемые формулами (2) и (3). Алгебраические сумматоры 22 и 23 вырабатывают сигналы 4U , /50,, . - (5) vfOTopye через соответствующие усилит тели 24 и 25 поступают на-обмотки 26 управления РД 26 и 27, воздействующие на входы модели (на движки реохордов 32, - так, чтобы, свести сигналы Аи/, /4Uj к нулю. При Ди РД 26 и 27 останавливаются, с реохордов 28 - 30 снимается напряжение Uj, пропорциональное величине параметра А, а с реохорда 31 снимается напряжение U|, пропорциональное величине параметра В.- и К/А, К cortst, и КгВ, Кг const.(6) Величина параметров А и В при d Цу ЛЦг 0 количественно характеризуют искомые теплофизические характеристики исследуемого материала (коэффициенты тепло- и температуро- . проводности). Напряжение , V на реохордах 13 и k задаются равными следующим величинамft , ; Kj coMst; V, Ку . Для напряжения %, Uy, Uj, Mg справедливы равенства , Uij Uy Kp5-U, Uf Kev:U2, (8) где Kgjj If j коэффициенты передач ВПК 8, 9, 15 и 16, Так как движки реохордов 15 и 14 перемещаются РД 11 на одинаковый угол, то при равенстве нулю сигнала на входе усилителя 10 справедлива пропорция Uy:Vy UptUj-.(9 Для реохордов 20 и 21 аналогично и. .(10) Из формул (9) и (10) определим Upi и - ЦЗ-ЦУ К,,-К,А;КезК,А , 1 У К/ co«5t. где Ка Аналогично для второй счетно-решающей схемы 3 получим Kcp-K -B-Kg Ку А -лв - , - кХ-4-J (1 К/;КгК - и Я

где, К I-ll- fil™ co.st.

jj,

Таким образом, напряжение U и и§ пропорциональны величинам а и Я. Искомые величины коэффициенто тепло- и температуропроводности считываются со шкалы регистратором k и 5 и фиксируются на диаграммной ленте.

ВПК 8, 9, 15 и 16 и логические блоки 12 и 19 служат для увеличения точности выполнения onepauHvi умножения и деления на реохордах 8 и 13 20 и 21. Аналоговые множительно-делительные устройства, построенные на автокомпенсаторах (усилителя 10,РД 115 реохордах 13 и И), имеют такое положение (нулевое) движков на .реохордах 13 и 14, при котором величина погрешности выполнения операций умножения и деления минимальна. При отклонении от этого положения погрешность возрастает.

При нахождении движок реохордов 13 и Н вдали от нулевого положения, логический блок 12 изменяет коэффициент передачи ВПК 8, например увеличивает его в л раз, одновременно уменьшает коэффициент передачи ВПК Э в h раз. Таким образом, движки реохордов 13 и 14 смещаются окрестность нулевой точки, где погрешнроть минимальна, а .результат выполнения.математических операций не зависит от коэффициентов передач ВПК 8 и 9, так как справедливо равенство

1.(13)

Для СРС 3 справедливо равенство Ke2Kg{/ 1.(14)

Логические блоки 12 и 19 возможно выполнить на микровыключателях, расположенных, соответственно, на

реохоадах 13 и 21„ ВПК 8; 9, 15 и . 16 возможно выполнить на операционных усилителях, в обратной цепи которых через контакты микровыключателей включены параллельно несколько сопротивлений.

В исходном положении а обратной цепи операционного усилителя ВПК включено одно сопротивление. При србатываний микровыключателя логического блока происходит отключение этого сопротивления и подключение другого сопротивления, т.е. прои9ходит изменение коэффициента передачи ВПК.

Рассмотрим возможный вариант построения модели 7 теплового процесса кондуктиметра на элементах аналоговой техники. Для того, чтобы воспроизвести некоторую функцию с помощью элементов аналоговой техники необходимо найти дифференциальное уравнение, решением которого явилась бы заданная функция. Такое уравнение назовем определяющим для заданной функции.

Дифференциальное уравнение

/

.о;

U(0,t)-U(0,t) Ui:o,0) 0.(15)

является определяющим для функции

U(0,tl BftПредставим функцию U(1,t) в следующем виде

U(,t)U(0,t) -.У, (t)bP,(t) + % (t),(16)

где Jii t) - exp IY I

7 (t) %().j Для функций y и % определяющие уравнения соотве,тственно имеют вид

/ А-Уу (t)-6 )o; Д(о) :/, 7/(0) (17)

2А В

(t)- - 2 Л1)- -.2 -/JvO/

(Щ8, .i(0)-2AB.

(18)

На основании уравнений (15) - (18) строим схемы (фиг.З и 4), воспроизводящие модель 7 теплового процесса кондуктиметра.

При замене модели устройство мо- , «ет работать с кондуктиметром, воспроизводящим другой теплофизический метод.

Ускорение эксперимента по определению теплофизических характеристик исследуемы материалов происходит вследствие того факта, что в процессе измерения происходит сравнение сигналов от кондуктиметра и модели, а блок управления изменяет параметры модели так, чтобы сигналы модели и кондуктиметра совпадали. Поэтому в процессе эксперимента параметры модели характеризуют численные величины искомых теплофизических характеристик, которые фиксируются регистраторами.

Формулаизобретения

Устройство для определения теплофизических характеристик мотериалов,

содержащее кондуктиметр, измерители температуры в кондуктиметре, счетно-решающую схему, первый вход кото- . рой через первый блок переменных коэффициентов и компенсационную первого реохорда соединен с усилителем, запитывающим обмотку управления реверсивного двигателя, вал которого кинематически связан с движками первого и второго реохордов и-с логическим блоком, выход которого кинематически связан с двумя блоками переменных коэффициентовi а второй вход схемы через второй блок переменных коэффициентов соединен с цепью питания второго реохорда, а выход схемы через движок второго реохорда подключен к регистратору, о т л и - ; чающееся тем, что, с цельюускорения определения теплофизических характеристик исследуемых материалов, в устройство введен моде лирующий блок теплового процесса кондуктиметра и сблок управления (БУ) содержащий две цепи, каждая из которых состбит из алгебраического сумматора, усилителя, реверсивного двигателя и реохордов, причем первый выход моделирующего блока и первый измеритель температуры соединены с первым сумматором, а второй выход моделирующего блока и второй измеритель температуры соединены

со вторым сумматором, выход первого сумматора соединен с первым усилителем БУ, запитывающим первый реверсивный двигатель БУ, вал которого кинематически связан с первым входом моделирующего блока и движками трех реохордов БУ, запитываемых напряжением постоянного тока одинаковой величины, выходные цепи первых двух реохордов соединены, соответственно, с первым и вторым входами первой счетно-решающей схемы, а выходная цепь третьего реохорда БУ соединена со вторым входом второй счетно-ре- , шаюцей схемы, выход второго суммато ра соединен с вторым усилителем БУ, запитывающим обмотку управления второго реверсивного двигателя БУ, вал которого кинематически связан с вто рым входом моделирующего блока и движком четвертого реохордаБУ, запитываемогр постоянным напряжением, выходная цепь которого подключена к первому входу второй«счетно-решающей схемы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР № i 98539, кл. G 01 N 25/18, 1975. , 2, Авторское свидетельство СССР № , кл. G 01 N 25/18,1978 (прототип).

iiS 5

Г

I

I

(

be

Чггг

LJL

V. Уо