Устройство для комплексного измерения теплофизических свойств твердых материалов Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКПХ

1

Изобретение относится к исследованию физико-технических свойств материалов, в частности к устройствам для измерения теплофизических свойств различных, материалов и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известно J cтpoйcтвo для комплексного измерения теплопроводности X , температуропроводности сС и теплоемкости С материалов вблизи комнатной температуры. Испытания проводятся на одном образце в режиме монотонното нагрева.

Образец в виде пластины диаметром 40 мм и высотой 10-40 мм, помещается в массивный металлический блок и разогревается совместно С ним нагревателем постоянной мощности. Температурные измерения прюводятся с помощью трех термопар. Две из них расположены на торцовых контактных металлических пластинах, третья - в средней по высоте плоскости образца. В опыте измеряется запаздьшание температуры средней точки образца относительно крайних и тепловые потоки, поступающие с торцой в

образец с помощью двух, по-возможности, одинаковых тепломеров 1.Недостатком устройства является необходимость предварительной градуировки тепло- , меров в специальном устройстве, а также невозможность определить и устранить изменение характеристик тепломеров в процессе эксплуатащш без демонтажа измерительного устройства. Другим недостатком устройства является больщая теплоемкость рабочего слоя

10 тепломера, изготовленного на основе керамической массы. Кроме того, при монтаже измерительного устройства возни-сают допол1штельные переходные сопротивления между тепломером и контактной металлической

15 пластиной. Из-за чего в процессе опыта приходится измерять показания обоих тепломеров и рассчн тывать потоки каждого тепломера с 1шдивидуальных градуировочных коэффициентов.

20

Известно 1гакже устройство для колтлексного измеренгия теплофизических свойств материалов, состоящее из двух металлических блоков с разной температурой, снаб39жегшых двумя тепломерами, пмонтированными в центральной части контактных поверхностей блоков, прилегающих к образцу 2. Недостатком даш-юго устройства является то, что тепломеры траду1 руются в спеш1альном устройстве До установки в прибор, а затем в процессе эксплуатаггии не представляется возможным провести корректировку значений: тепловой проводимости тепломеров. Подобрать тепломерь с одшгаковыми характерисг;псами весьма затрудднтельно, .поэтому в процессе опыта необходимо раздельно измерять показания верхнего и нижнето тепломеров, а потоки рассчитьшатг с учетом их 1-шдивидуальпых характеристик. Н достатком устройства являшгся довольно бол шие теп-поемкости рабочего слоя тепломеров обусловленные еуп{ествую1цей технологией изготовления. Наиболее близким техигпеским решением к гфедлагаемому является устройство для экспрессного измерения теплофизических свойств материалов. Исследуе утый образец помещают на массивный теплопроводлщий блок, снабжегшый тепломером н выравнивают его TeNfflcpaTypy с блоком, после чего на образец устанавл шагот верхний теплопроводяший блок. псрег; етый относительно ниж него на 10-15 К. В пврехо/1Ной стадии опыта через измеряемые в опыте интегральные разности входящего и выходящего потоков находят количество тештоты поглощенное образцом до установления в ifeM сташюнарного состояпия. Дополнительно измеряют перепад температуры на образг1е в стадирнарном СОСТО5П1ИИ и по соответствующим формулам рассчитывают теплапрово,щгость. теплоемкость и температурО1Троводность. Лижт{ий и верхний блоки доляспы быть снабжены тепломерами типа дополнительпой стенки с одш1ако выми теплоемкостями и тепловыми проводи моетями. Теплоемкость пласгшюк тепломера удается достато ою тошю сделать одинаковой в процессе изготовления 3. Недостатком устройства явпяется то, что проводимость тепломеров в блоках после изготовле} ия может различаться на 20-25% вследствие разной толодгны рабочего слоя и иаличт-ш неконтролируемых воздушных вклю чений в слое эпоксидной смолы. При серийном производстве с некоторой допустимой погрешностью ЛЮжно подбирать пары тепломеров с близкими характеристиками, а при индивидуальнол : производстве {еоб; одил1о заново проведать сборку и градуировку теп ломйров - операции весьма кропотливые п трудоемкие. Более выгодными пред.ставляютс такие решения, которые после сборки тепло мера позволяли бы изменять его тепловую проводимость в пределах ±20%. Целью изобретения является повышение тошости измерения X , О , с путем выравнивания тепловых проводимостей тепломеров в блоках. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для комплексного измерения теплофизических свойств твердых материалов включающем два массивных метгшлических блока, окруженных теплоизолирурошей оболочкой, металлические тепломеры, выполнены в виде теплопроводящих пластин и при- . легаюпдего к ним теплоизолирующего рабочего слоя, двух термобатарей со спаями в шшстшгах и блоках, дифференцигшьной термопары со спаями в пластинах тенломеров, в плоскости рабочего слоя тепломера вьпголнены отверстия, в которые введены стсршп с возможностью изменения их длины под пластиной, либо изменения их зффективной теплопроводности, например, путем растяжения резинового стержня. На фиг. 1 показана конструкция устройства для комплексного измерения свойств; на фиг. 2 - конструкция тепломера. Устройство состоит из двух те;плопроводящих блоков 1 и 2, окруженных теплоизоляционной оболочкой 3, Образец 4 установлен между пластинами 5 и 6 тепломеров блоков. В тешюмерах смонтирован термобатареи VfB и VTH а также дифференциальная термопара . Пластинка 5 приклеена тонким слоем эпоксидной смолы к блоку 2. Пазы пластинки и блока, расположенные напротив друг друга, образуют отверстая в плоскости рабочего слоя тепломера, в которые вводят стержни 8, При нахождении проводимости тепломера используют проводимость отверстия со стержнями / (Jj; / и проводимость участков постоянного кр(шления ЗПОКС1ЩНОЙ смолой ( QQ ). Проводимость 0 равна fC j-дфФ Ь cf где f - высота отверстия; - эффективная теплопроводность от верстия со стержнем; L, - общая длина стержня под пластиной тепломера. Таким образом, из (1) видно, что проводимость (5 можно изменять в нгироких пределах, вводя в отверстия стержни разной теплопроводности йт полимеров с Х 0,2 Вт/ (м.к.) до медных с - 400 Вт/(м.к.). Тонкая регулировка проводимости проводится подбором общей длины L стержней. Кроме того, можно изменять эффективную поперечную гтровояимость стержня (точнее отверстия со стержнем) путем изменения его поперечного сечения. Это можно обеспечить, например, растяжением резинового жгута, спиральной пруж ны, скручиванием жгута, состоящего из многих нитей и другими способами. Поскольку все величины, регулирующие проводимость тепломера стоят в числителе формулы (1), то проводимость (У меняется от миннмальной величины Сд до (, MQX) по линейному закону. В зависимости от теплопроводности величин Д nepeMeiraofi проводимости тепломера может составить относительно постоянного члена 61 о единиц до сотен процентов.

Подбор шага расположения отверстий в рабочем слое и их поперечного сечения дает возможность обеспечить заданную изотермичность поля пласт}шы тепломера. В реальных тепломерах толщина рабочего слоя эпоксидной смолы составляет 0,1-0,3 мм, а диаметр отверстий под стержни не превышает 0,4-0,6 мм.

Технология изготовления отверстий в рабочем слое тс11ломера следующая.

Пазы в блоках фрезеруются с выходом на внешнюю поверхность. В пазы перед склейкой эпоксидной смолой затсладываются провода во фторопластовой изоляции. После затвердевания эпоксидной смолы провод выдергивают из фторопластового чехла, а затем и сам чехол. Освободивишеся отверстия в рабочем слое тепломера заполняются стержнями из того или иного материала. В реальных конструкциях вместо отверстий квадратного сечения получают отверстия круглые За счет того, что углы пазов запиты эпоксидной смолой диапазон изменения проводимости тепломера уменьшается примерно

на порядок, но этого хватает для подгонки тепловых проводностей тепломеров. Подгонка проводимости за счет изменения эффекпгоной. теплопроводности отверсттш со стержнем может проводиться непосредствеьшо в процессе градуировочного опыта, так как калориметр открывать не требуется, например, вытягивая снаружи резшшвьп жгут.

Формула изобретен И

Устройство для комплексного измерения теплофизических свойств твердых материалов, включающее два массивных металлических блока, окруженных тештоизолир аощей оболочкой, металлические тепломеры, выполнепиые в ввде теплопроводящих п.тяс-п) л т; летающего к ним TenriOH3ojnipy4ri : чего слоя, двух-тсрмоСхтгарсй со v. пластиках и блоках, диффгрснциапьр м термопары со спаями п ппасииа:: тепл .:::;г. отличающееся TCN, чггч с целью уменьшения погреишостн ;i3:-.:epc;.n:r: путем подгонки тепловых ироводи-д остсй теяломеров, в шюскостн рабочего слсг r.v; cра выполнены отверстия, ц IP :::::-: стержни с возмож юстыо язл ерс-п : их длины под пластиной тепломера.

Источники информации, принятые во внимание лпь- :i;:c:r -Ti:;c

3.Авторское свидетельство СССР 74 i 1:7 кл. G 01 N 25/18, J978 (прототия).