УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для определения тепловых свойств (теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости) материалов, например, образцов горных пород.
Известно устройство для измерения температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности диэлектриков и горных пород методом плоских температурных волн. (Юрчак Р.П. Установка для комплексных измерений теплофизических свойств диэлектриков // Заводская лаборатория. - М.: Металлургия, 1971. - Т. 37. - №12. - С. 1514-1516.)
В описанной выше установке используются два одинаковых плоских образца - пластины, для каждой из которых соблюдается условие неограниченности  ( - толщина, d - диаметр). Между пластинами зажимается малоинерционный нагреватель, представляющий собой плоскую проволочную спираль. На свободных поверхностях размещаются термопары. В эксперименте из сигнала термопар с помощью потенциометра выделяется переменная составляющая, которая после усиления усилителем регистрируется на шлейфовом осциллографе. На этом же осциллографе фиксируются сигналы включения и выключения мощности нагревателя. В установке задается П-образный нагрев с помощью низкочастотного генератора и реле, мощность нагрева измеряется амперметром и вольтметром.
Температуропроводность и теплоемкость определяются исходя из измеренных значений амплитуды колебаний, температуры на противоположной от нагревателя поверхности образца и сдвига фаз между этими колебаниями и колебаниями мощности нагревателя.
Теплопроводность λ вычисляется по полученным значениям температуропроводности "α" и теплоемкости "с". Погрешность измерения "α" по данным автора составляет 3-4%, λ - 5%.
К недостаткам этой методики в плане петрофизических исследований относится наличие двух образцов, которые, даже будучи выпиленными из одного куска пробы, отличаются по составу и структуре ввиду существенной неоднородности горных пород. Кроме того, необходимость от измерения к измерению монтировать и демонтировать на поверхности образцов датчики температуры существенно усложняет проведение эксперимента при массовых определениях тепловых свойств пород.
Наиболее близким к предложенной полезной модели по технической сущности (прототипом) является "Устройство для определения теплофизических свойств материалов" (патент РФ на изобретение №1755152, кл. G 01 N 25/18 от 10 декабря 1990 г. ), содержащее внешний термостат, корпус рабочей камеры высокого давления с крышкой, имеющий отверстие для выхода поршня, затвор с предохранительным кольцом, крышку, струбцину, давильный патрон, состоящий из корпуса и поршня, манометр, индикатор, поршень (2-ой эталон) с помещенной в нем дифференциальной термопарой, исследуемый образец, непроницаемую оболочку, плоский источник тепловых колебаний, размещенный на торце первого эталона, (подпятника), гидравлический насос переменного внутрипорового давления с подводящим трубопроводом и краном, манометром, предварительный усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь, мини-ЭВМ, генератор тепловых колебаний, гидравлический насос переменного давления бокового обжатия с краном, подводящим трубопроводом и манометром.
Теплофизические свойства эталонов в прототипе удовлетворяют соотношению:
,
1
1
2
2
где λ, α, и λ, α - соответственно теплопроводность и температуропроводность первого и второго эталонов.
К недостаткам прототипа относится то, что в нем не учитываются тепловые потери с боковых поверхностей эталонов (при одномерной тепловой модели) и не контролируется затухание в эталонах температур волны. Отмеченное приводит к систематическим погрешностям измерений. Рассмотрим систему уравнений, определяющую температурное поле во всех трех контактирующих телах (фиг 1):
i
i
i
0
0
Здесь τ - температура в i-том теле; x, r- пространственные переменные; τ - время; L - длина исследуемого образца; α, λ - температуропроводность и теплопроводность i - тела; α - коэффициент теплопередачи; r, S - радиус и площадь поперечного сечения контактирующих тел; τ - температура окружающей среды; q(τ) - заданный тепловой поток от нагревателя 4, q(τ)=N/S; N - мощность нагревателя.
В системе (1)-(9) перейдем к безразмерным переменным вида
где - характерная величина теплового потока; P - периметр поперечного сечения контактирующих тел. В результате получаем
2
3
X=1, θ=θ,
1
3
X → ±∞, θ → 0, θ → 0, 0<R<1, Fо>0.
Оценка возможности применения одномерной по пространству математической модели в системе контактирующих тел для определения тепловых свойств материалов показывает, что температура в различных точках сечений эталонов не является одинаковой (вследствие наличия боковых теплопотерь), при этом возможны ситуации, когда температура в каких-либо точках (участках) сечения существенно отличается от средней по сечению. При этом максимальные отклонения наблюдаются на осевой линии и на боковой поверхности системы тел. Эти отклонения тем больше, чем значительнее коэффициент теплоотдачи.
Целью предложенной модели является повышение точности измерений тепловых свойств материалов, таких как теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость.
Поставленная цель достигается за счет того, что устройство, предназначенное для определения тепловых свойств материалов, содержит:
- два эталона с зазором между ними для исследуемого образца;
- плоский источник тепловых колебаний, расположенный на границе первого эталона с зазором и соединенный через генератор тепловых колебаний с блоком управления и регистрации;
- дифференциальную термопару, помещенную на торце второго эталона и подключенную через предварительный усилитель постоянного тока к системе управления и регистрации.
0
0
Новым является то, что рабочий спай дифференциальной термопары размещен на торце второго эталона, сопрягаемым с исследуемым образцом, на расстоянии 0,68 r (где r - радиус исследуемого образца) от оси системы контактирующих тел, а на торцах эталонов, противоположных торцам, контактирующим с исследуемым образцом, дополнительно помещены датчики температуры.
Описанное размещение рабочего спая дифференциальной термопары способствует устранению систематических погрешностей измерений тепловых свойств материалов, связанных с неполным соответствием физической установки математической модели теплопереноса в системе контактирующих тел. Наличие дополнительных датчиков температуры позволяет выбирать режим опыта, соответствующий отмеченной выше математической модели.
В результате повышается точность измерения тепло-, температуропроводности и теплоемкости исследуемых образцов материалов.
Таким образом, в предложенной полезной модели решается задача оптимизации размещения датчика температуры в эталоне. Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена система трех контактирующих тел (прототип);
- на фиг. 2 устройство для определения тепловых свойств материалов. Расчеты показывают, что если мерить температуру в точке, где она совпадает со средней по сечению температурой, то для обработки экспериментальных данных можно использовать решение задачи (17)-(20)
Здесь s комплексный параметр преобразования Лапласа и - средняя по сечению температура в к-ом теле.
При эталонах, выполненных из полиметилметакрилата, кварцевого стекла и других подобных материалов, средней по сечению температурой обладает точка, соответствующая Х=1 и R=0,68. Размещение датчика температуры в этой точке устраняет систематические погрешности измерений, связанные с наличием теплопотерь с боковых поверхностей системы контактирующих тел.
Одновременно в предложенном устройстве на торцах эталонов, противоположных торцам, контактирующим с исследуемым образцом, размещены дополнительные датчики температуры. Целью этого размещения является проверка в эксперименте достаточности продольных размеров эталонов для затухания в них температурных колебаний с погрешностью, не превышающей погрешности измерений. Отмеченное обуславливает строгое выполнение граничных условий опыта.
0
0
Предложенная полезная модель для определения тепловых свойств материалов (фиг. 2) содержит два эталона 1 и 3 с зазором между ними для исследуемого образца 2 и размещенными на противоположных торцах этих эталонов датчиками температуры 6 и 7. Кроме того, устройство включает плоский источник тепловых колебаний 4, который размещен на границе первого эталона 1 с зазором для исследуемого образца 2, и соединенный через генератор тепловых колебаний 5 с блоком управления и регистрации (на фиг. 2 не обозначен), дифференциальную термопару 8, предварительный усилитель постоянного тока 9, аналого-цифровой преобразователь 10, мини-ЭВМ 11. При этом рабочий спай дифференциальной термопары 8 находится на торце второго эталона 3, сопрягаемом с исследуемым образцом 2, на расстоянии 0,68 r (где r - радиус исследуемого образца 2) от оси системы контактирующих тел.
Тепловые свойства материалов, в том числе горных пород, определяются на исследуемом образце 2 круглой формы и толщиной L.
Материалом эталонов 1 и 3 (полуограниченных тел) служит полиметилметакрилат или кварцевое стекло марки KB, длина эталонов 1 и 3 выбирается из условия, чтобы температурная волна практически полностью в них затухала, то есть чтобы температура противоположных от контакта с исследуемым образцом 2 торцов эталонов 1 и 3 соответствовала начальной температуре с погрешностью, не превышающей погрешности измерений, а датчиками температуры 6 и 7 служат термопары типа «хромель-копель».
Полезная модель работает следующим образом.
Перед измерением тепловых свойств исследуемый образец 2 вставляется в зазор между первым 1 и вторым 3 эталонами. Вся система контактирующих тел 1, 2, 3 зажимается с помощью струбцины (на фиг. 2 не показана).
Генератором тепловых колебаний 5 с помощью плоского источника тепловых колебаний 4, выполненного или напылением на торце первого эталона 1 или из тонкой нихромовой фольги, задаются колебания теплового потока прямоугольной формы фиксированной частоты и амплитуды.
При этом величины частоты и амплитуды выбираются исходя из условия затухания температурных волн в системе контактирующих тел 1,2,3 с помощью датчиков температуры 6 и 7.
По прошествии некоторого времени в системе контактирующих тел 1, 2, 3 возникают периодические колебания температуры, которые затухают в полуограниченных телах (эталонах 1 и 3). С помощью дифференциальной термопары 8 изменения температуры преобразуются в электрический сигнал, который после усиления предварительным усилителем постоянного тока 9 переводится в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 10 и вводится в мини-ЭВМ 11. Мини-ЭВМ 11 осуществляет управление генератором тепловых колебаний 5 и аналого-цифровым преобразователем 10, а также производит обработку первичной информации и расчет тепло-, температуропроводности, теплоемкости исследуемого образца 2.
Устройство для определения тепловых свойств материалов соответствует математической модели, что позволяет избежать систематических погрешностей эксперимента и повысить точность измерений тепло-, температуропроводности и теплоемкости.