ЗОНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к устройствам для определения коэффициентов теплопроводности сыпучих материалов.
Известен зонд, который предназначен для строительных материалов и изделий теплопроводностью от 0,01 до 2 Вт/(м·К), содержащий корпус (трубка диаметром 3 (5) мм из нержавеющей стали), рукоятку, электронагреватель в виде сложенного пополам эмалированного провода из сплава сопротивления и проволочной термопары (эмалированных медных и константановых проволок диаметром 0,35 мм) (см. ГОСТ 30256-94. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом).
Недостатком его является невозможность применения для определения коэффициента теплопроводности малых образцов дисперсных материалов.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному устройству является линейный или цилиндрический зонд для измерения теплопроводности в условиях изменения порозности порошковых материалов от свободной засыпки до спрессовывания. Зонд, линейный источник теплоты постоянной мощности, выполнен в виде П-образной рамки с проволокой по оси, к которой прикреплена термопара, источник регулируемого стабилизированного напряжения для задания необходимого тока и регистратор зависимости изменения температуры зонда во времени (см. Краснов В.А., Савченков Г.А. Устройство для определения коэффициента теплопроводности дисперсных материалов методом цилиндрического зонда постоянной мощности. // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства теплофизических измерений», 17-19 сентября 1987 г., Севастополь с.42-43).
Недостатком его является погрешность конструкции, приводящая к невысокой производительности по определению коэффициента теплопроводности.
Техническая задача - создание устройства, позволяющего повысить производительность определения коэффициента теплопроводности образца за счет изменения конструкции.
Технический результат - усовершенствование конструкции устройства. Он достигается тем, что зонд выполнен в виде прямоугольной рамки из фольгированного медью стеклотекстолита, внутри которой по оси размещен нагреватель, выполненный из проволоки из высокоомного материала, к которому сверху прикреплена медь - константановая измерительная термопара, при этом один конец рамки служит ответной частью электроразъема. Медный провод термопары соединен с одним из контактов разъема на конце рамки, а другой конец термопары, константановый провод, припаян к медной фольге рамки. Измерительный сигнал термопары регистрируется самописцем. «Холодный» спай находится в тепловом контакте с печью-термостатом, которая задает температуру образца. Таким образом, фактически измеряется изменение температуры зонда относительно температуры холодного спая, являющееся источником информации для вычисления коэффициента теплопроводности. Материал рамки позволяет осуществить необходимое натяжение нагревателя, а также коммутацию всех элементов.
Пример конкретного осуществления устройства. Предполагаемое устройство изображено на чертеже (общий вид). Устройство имеет термостат 1, в который помещен контейнер 2 с исследуемым образцом 3. Снаружи к термостату 1 подведены две электрические цепи: первая - с источником регулируемого стабилизированного напряжения 4, ключом 5, вольтметром 6 и амперметром 7, вторая - измерительная с прецизионным высокочувствительным самопишущим прибором 8 высокого быстродействия - время пробега шкалы кареткой - 1 с - для регистрации кривой зависимости изменения температуры зонда во времени. В контейнер 2 помещен зонд 9, выполненный в виде прямоугольной рамки из фольгированного медью стеклотекстолита, внутри которой по оси размещен нагреватель 10, выполненный в виде проволоки из высокоомного материала, к середине которой прикреплена медь - константановая измерительная термопара 11, константановый термоэлектрод 12 которой в точке «холодного» спая 13 припаян к рамки. «Холодный» спай расположен напротив «горячего» спая 14, расположенного посередине нагревателя. Один конец зонда 9 одновременно является ответной частью электроразъема 15, соединяющего его с силовой и измерительной цепями. Фольгированный медью стеклотекстолит рамки зонда контактирует с корпусом печки-термостата (на чертеже не показано). Печка-термостат обеспечивает постоянную температуру холодного спая 13. Согласно теории метода линейного источника теплоты постоянной мощности время опыта составляет 2-10 секунд для небольших образцов диаметром 20 мм. За это время холодный спай «не успевает» почувствовать изменение температуры зонда, не превышающее, как правило, 2-2,5К.
Зонд работает следующим образом.
В основу определения коэффициента теплопроводности положена теория метода линейного источника теплоты постоянной мощности. В термостат 1 помещают контейнер 2 с зондом 9 и засыпают исследуемый образец 3. К концу рамки зонда 9, где расположен разъем 15, подключают две электрические цепи, содержащие источник регулируемого стабилизированного напряжения 4, ключ 5, вольтметр 6, амперметр 7, и самопишущий прибор 8. Замыканием ключа 5 ток проходит через нагреватель 10, температура которого увеличивается и теплота распространяется радиально от нагревателя 10 к контейнеру 2 и «холодному» спаю 13 термопары. Самопишущий прибор 8 регистрирует изменение температуры зонда 9, позволяющее определить коэффициент теплопроводности по известной формуле:
2
1
2
1
где t-t - изменение температуры зонда соответствующий моментам времени τ и τ, °C;
q - мощность, выделяемая единицей длины зонда, Вт/м;
τ - время, с.
Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность определения коэффициента теплопроводности за счет конструкции зонда, который совмещает в себе функции держателя проволоки - линейного источника теплоты - с прикрепленным горячим спаем и ответной части разъема для коммуникации между цепями питания и измерения.
Положительный эффект - усовершенствованная конструкция устройства позволяет осуществить быструю замену исследуемых образцов и повысить производительность зонда.
Источники информации
1. ГОСТ 30256-94. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом.
2. Краснов В.А. Установка для определения коэффициента теплопроводности жидкостей. Научные труды АстраханьНИПИГАЗ, Астрахань 2001.
3. Краснов В.А., Савченков Г.А. Устройство для определения коэффициента теплопроводности дисперсных материалов методом цилиндрического зонда постоянной мощности. // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства теплофизических измерений», 17-19 сентября 1987 г., Севастополь. с.42-43.