Устройство для измерения тепловой аккомодации газов Советский патент 1982 года по МПК G01K17/06 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ АККОМОДАЦИИ ГАЗОВ

1

Изобретение относитсяк измерительной технике и может быть использовано для исследования процессов теплообмена на границе газ-твердое тело для измерения одной из основных характеристик теплообмена молекул газа с поверхностью - теплового коэффициента аккомодации.

Известно устройство на основе метода температурного скачка, содержащее подогреваемую электрическим током металлическую нить, помещенную в газовую среду. Коэффициент тепловой аккомодации определяется по измеренному тепловому потоку между нитью и стенками камеры, в которой содержится газ 1 .

Устройство просто в реализации, но характеризуется низкой достоверностью результатов ввиду того, что измерения производятся при высоких давлениях, а это исключает возможность контроля поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения тепловой аккомодации газов, содержащее вакуумную камеру, внутри которой расположена металлическая нить, подсоединенная своими концами к источнику постоянного тока, измеритель температуры исследуемого газа и

блок измерения давления исследуемого газа и температуру нити 2.

Устройство работает следующим образом

В вакуумную камеру помещается исследуемый газ или газовая смесь. По ртутному 5 манометру измеряется давление газа. С помощью моста постоянного тока измеряется электрическое сопротивление нити, по которому определяется перепад температуры между нитью и газом, а средняя температура Q окружающего газа - по платиновому термометру сопротивления. По давлению газа, температуре газа и перепаду температуры между нитью и газом вычисляется коэффициент тепловой аккомодации.

Недостатками данного устройства являются невысокие точность и скорость проведения эксперимента, что связано с тем, что используется больщой перепад температуры (более 10°С).

Цель изобретения - повыщение точности 2Q и скоростей проведения измерений.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения тепловой аккомодации газов, содержащем вакуумную камеру, внутри которой расположена металлическая нить, подсоединенная своими концами к источнику

постоянного тока, измеритель температуры исследуемого газа и блок измерения давления исследуемого газа и температуры нити, блок измерения давления исследуемого газа и температуры нити выполнен в виде основной и вспомогательной металлических гофрированных мембран, электрического изолятора, растягивающей пружины и LC-генератора, причем основная металлическая гофрированная мембрана установлена поперек вакуумной камеры и делит ее на две части, соединена в центре с концом металлической нити, другой конец которой через электрический изолятор и растягивающую пружину прикреплены к торцовой стенке вакуумной камеры, а вспомогательная мембрана устанолена параллельно основной, изолирована от корпуса камеры и электрически соединена с колебательным контуром LC-генератора.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, внутри которой расположена металлическая нить 2, подсоединенная своими концами через электрический контакт 3 к источнику постоянного тока 4, измеритель температуры исследуемого газа (не показан) блок измерения давления исследуемого газа и температуры нити, состоящей из основной 5 и вспомогательной 6 металлических мембран, установленных поперек вакуумной камеры, герметически делящих ее на две части.

Основная металлическая гофрированная мембрана 5 в центре соединена с концом металлической нити 2. Вспомогательная мембрана б изолирована от корпуса и электрически соединена с LC-генератором 7.

Другой конец металлической нити 2 соединен через изолятор 8 и растягивающую пружину 9 с торцовой стенкой корпуса вакуумной камеры 1.

Выходной сигнал в виде частоты LC-генератора через выход 10 подается на электронно-счетный частотоме| и цифропечатающее устройство (не показаны). Устройство работает следующим образом.

Обе части вакуумной камеры откачиваются до глубокого вакуума (10 мм рт. ст. или 1-10 Па). В ту часть камеры 1, где помещена нить 2, напускается исследуемый газ. Давление газа приводит к прогибу мембраны 5 что вызывает изменение частоты ЬС-генератораг. Его изменение при изменении давления газа на 1 мм рт. ст. 10 Гц, что позволяет задавать давления мм рт. ст. (0,0133-1,333 Па), необходимые для измерения тепловой аккомодации с точностью, не хуже O.. При давлениях исследуемого газа, не превыщающих Ю мм рт. ст., существует однозначная линейная зависимость изменения частоты LC-генератора с давлением газа. Частота LC-генератора регистрируется по частотомеру. После определения давления по прогибу мембраны включается электрический контакт 3 и нить 2 разогревается от источника тока 4. При этом возникает дополнительный прогиб мембраны за счет теплового расщирения нити. Существует однозначная линейная связь температуры нити и дополнительного прогиба мембраны. Электрический контакт размыкается и нить начинает остывать, отдавая тепло в газ. При этом дополнительный прогиб мембраны уменьщается и стремится по величине к основному прогибу, обусловленному давлением газа. Скорость уменьщения дополнительного прогиба мембраны, измеренная в значениях частоты LC-генератора через равные промежутки времени от момента размыкания электрического контакта 3 до полного остывания нити используется для вычисления темпа охлаждения нити, по которому определяется величина коэффициента тепловой аккомодации. Ошибка в определении темпа охлаждения не превышает 0,2%.

Используя величину давления исследуемого газа, измеренную по основному прогибу мембраны с помошью LC-генератора, темп охлаждения нити, измеренной по скорости убывания дополнительного прогиба, выраженной в частотном виде, а также температуру исследуемого газа, определенную независимо (например, по платиновому термометру сопротивления), находят коэффициент тепловой аккомодации по формуле

m 2 ()

где а - коэффициент тепловой аккомодации величина безразмерная;

Q - тепловой поток от нагретой нити в газ, Вт/м2;

m -темп охлаждения нити, I с;

/-плотность материала нити,

Ср - теплоемкость материала нити; Дж/кг град;

TO - температура г.аза. К;

ЕХ - длина нити, м;

г - радиус нити, м;

Су - теплоемкость газа, Дж/кг град;

f - молекулярный вес газа, кг/моль;

NO - число Авогадро, 1/моль;

Р -давление газа,

К - постоянная Больцмана, Дж/град.

Данное устройство позволяет изменить основной параметр теплообмена на границе газ-твердое тело коэффициента тепловой аккомодации с высокой степенью точности и достоверности при минимальных затратах времени. Оно может быть использовано в исследованиях, связанных с быстропротекающими процессами при неЬрерывности изменения термодинамических параметров газа и состояния поверхности.

Устройство состоит из серийно выпускаемых элементов и просто в изготовлении.