Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов Советский патент 1983 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к тегглофизнческому приборостроению и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов.

Известны устройства, реализующие способ определения теплопроводности путем создания параллельных тепловых потоков в исследуемом и эталонном образцах с помощью регулируемых нагревателей, поддерживая равные перепады температур в образцах путем регулирования мсшиости нагревателей. После установления стационарного процесса по замеренным мощностям нагревателей и известному перепаду температур определяют коэффициент теплопроводности р.

Яепостатксял таких устройств является необходимость готовить образцы из исследуемого материала одинаковых размеров с эталоном. -В устройстве должен быть крсме нагревателей холодильник, что усложняет устройство. Для иэмереиял коэффициентов теплопроводности нужно определять перепад температур в образце. Все это затрудняет определение теплопроводности в полевых условиях.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения теплопроводности твердых образцов,

с содержащее эталон, нагреватели образ ;а и эталона, теплоприемник, тепломеры. Работа устройства основана на следующем свойстве. Если на концах эталона и образца, имеющих одинаковую

IQ высоту, действует одна и та же-разность температур, то плотность установившихся тепловых потоков через этсшон и образец пропорционгшьна их коэффициентам теплопроводности ГЗ. i

Недостатком известного устройства является необходимость готовить образ1фы материалов для измерений, причем размеры образцов должны совпадать с размерами эталона. Это приво20дит к значительным затратам времени на подготовительные работы. Кроме того, теплофизические свойства грун-; тов при отборе образцов изменяются. Также необходимо иметь криостат для

юдцержания отрицательной температуры лри определении теплопроводности черзлых грунтов. Поэтому устройство нельзя использовать для определения геплопроводности в полевых услови30ях.

Цель изобретения - увеличение точности измерения в полевых условиях и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем что устройство, содержащее нагреватель образца, измеритель электрической мощности и эталон, на котором размещены нагреватель и тепломер, включает эталон, выполненный в виде полусферы диаметром D, на плоской стороне которой коаксиально разметены нагреватель эталона, тепломер и нагреватель образца, имеющие форму, дисков диаметром d, причем выполняется соотношение 0/d 5-10.

На чертеже схематически изображен предлагаемое устройство.

Устройство состоит из плоских нагревателя эталона 1, нагревателя образца 2 и расположенного между ним тепломера 3. Нагреватели подключены к источнику постоянного тока 4. Мощность нагревателей регулируется с помощью реостатов 5 и амперметрор б. Для установки равенства температур нагревателей используется нуль-прибо (1 гальванометр 7. Для того, чтобы избежать тепловых потерь по боковой поверхности тепломера применяется теплоизоляция 8. Нагреватели 1 и 2, тепломер 3 имеют форму дисков диаметром d, эталон 10 имеет форму сферы диаметром О. Прибор устанавливается на образец 9,

Теплопроводность материалов с по.мощью устройства определяется следуюадим образом.

Устройство, состоящее из нагревателей 1 и 2 и тепломера нулевых сигн алоБ 3, устанавливается на плоскую поверхность исследуемого материала 9, который должен моделировать полубесконечное тело. Для этого его размеры выбираются такими, чтобы кратчайшее расстояние от нагревателя до поверхности, ограничивающей исследуеМ1лй материал, превышало пятикратный собственный размер d нагревателя в плоскости контакта с исследуемым материалом. Сверху на него ставится эталон 10. Эталонный образец, также как и исследуе1 ый материал выбираетс такого размера и такой формы, чтобы его можно было счита гь полуогранученНЕЛм телом. Оптимальным является эталон, имеющий полусферическую форму диаметром D, причем D/d лежит в пределах 5-10. После выравнивания температур нагревателей, о чем покажетнуль-прибор 7, на нагреватель 2, расположенный у эталона 10, подается постоянная мощность. Затем включает ся нагреватель 1, расположенный у исследуемого материала 9. Изменяя мощность нагревателя 1 с помощью нуль-прибора 7, устанавливают равные температуры на нагревателях. После

установления стационарного процесса теплопередачи замеряют мощности нагревателей или величины сил тока, а затем по этим данным определяют теппопроводность материала по формулам, вывод которых приведен ниже.

Тепловой поток в полуограниченное тело от плоского нагревателя при устновившемся режиме определяется из из вестногО выражения

, q - (Т - , ).

где q - тепловой поток, ккал/ч;

- коэффициент теплопроводности материала, ккал/м«ч К Тц - температура нагревателя. К} Т - температура тела в бесконечно удаленной точке. К} R - характерный размер нагревателя, зависящий от его гв.-. ометрии (для круглого нагревателя - радиус, для квадратного - сторона квадрата), м Если разместить устройство между двумя полуограниченными телами, одно из которых является эталоном (т.е. с известным коэффициентом теплопроводности), и включить оба нагревателя на мощности, соответствующие нулевому сигналу нуль-прибора, то тепловые потоки, идущие в исследуемый материа и эталон определяются соответственно из выражений

«1Рд (Тц- t,). ;

q - «R ср).

где q ,q - тепловые потоки, идущие в исследуемый материал и

эталон

коэффициент теплопроводности исследуемого материала и эталона. Поделив первое уравнение на второе, получаем

х,.з..л,. (1)

Величины тепловых потоков д и д определяются из следующих выражений

I - г(Т);

.2)

- Ч- э(Ч

где 1 Ig - токи в цепях нагревателей, А;

)Ст)Кд(т)- электрические сопротивления. Ом.

Причем, поскольку нагреватели идентичны и температу1%1 их в момент измерения одинаковые, то

ГУ(Т) г(Т).

(3)

Подставляя соотношения (2) и (1) ,и выполняя сокращение, возможное в

(3), получаем силу равенства ную формулу

JL

vifэПрименейие такого устройства для определения, теплопроводности материалов методом с равненйя приводит к увеличению точности, замеров. Предшагаемая конструкция устройства позволяет проводить измерения в полевсш уелоВИЯХ с использованием простых измерительных прибс ов без отбора образцов.

Использование предлагаемого устролства для определения теплопроводности материалов особенно эффективно при изыскательских работах на талых и мерзлых грунтах, так как увеличивается точность замеров и снижается себестоимость и время полевых работ.. . Формула изобретения Устройство для измеЕ ения теплопроводности твердых материалов, содержащее нагревательобразца, измеритель ,электрической мощности .и эталон на котором размещены нагреватель и тепломер, отличающееся тем, что, с целью увеличёни|{ точности измерения в полевых условиях и упроцеЪия Конструкции, эталон выполнен в виде полусферы диаметром D, иа плоской стороне которой коаксиально нагреватель эталона, тепломер и нагреватель образца, иметцие форму дисков диаметром а, причем вштслняетсй соотнсяоение B/d 5-10.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 359582, кл. G 01 N 25/18, 1971.

2.Авторское свидетельство СССР 542945, кл.С 01 N 25/18, 1973 (прототип).