УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для определения тепловых свойств материалов, таких как теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость, 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 - 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.
а
a
Теплопроводность λ вычисляется по полученным значениям температуропроводности "" и теплоемкости "с". Погрешность измерения "ʺ 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 тепловых свойств материалов", (патент РФ на полезную модель №176601 кл. G01N 25/18 от 26 сентября 2017), содержащее:
- 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;
0
0
- дифференциальную термопару, помещенную на горцах второго эталона и подключенную через предварительный усилитель постоянного тока к системе управления и регистрации, 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.
Прототип имеет следующие недостатки:
Вследствие конечности размеров датчика температуры (рабочего спая дифференциальной термопары) он не может быть размещен строго на торце второго эталона, как того требует математическая модель метода.
При этом, реальное расстояние (координата) этого спая от плоскости контакта исследуемого образца остается неопределенным, что вносит систематические погрешности при проведении измерений.
Отсутствие теплоизоляции системы контактирующих тел (первого и второго эталонов и исследуемого образца) приводит к потерям тепла с их боковых поверхностей и к дополнительным погрешностям измерений. Кроме того, отсутствие внешнего термостата не позволяет проводить изменения тепловых свойств в заданном температурном диапазоне.
В прототипе не указывается также, какой должна быть длина эталонных тел, необходимая для выполнения граничных условий метода, что вносит неопределенность в получаемые результаты измерений, то есть насколько они достоверны.
Целью предложенной полезной модели является повышение точности измерений тепловых свойств материалов, таких как теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость, а также расширение температурного диапазона исследований.
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 теплового нагрева, расположенный на границе первого эталона с зазором и соединенный с блоком электропитания и управления;
- термопару, являющуюся датчиком температуры, подключенную к измерителю температуры и ЭВМ.
э
Новым является то, что рабочий спай термопары размещен во втором эталоне вблизи его торца, сопрягаемого с исследуемым образцом, при этом система трех контактирующих тел: исследуемый образец, первый и второй эталоны, теплоизолированы и помещены во внешний термостат, а длина первого и второго эталонов х соответствует выражению:
0
где: г - радиус эталонного тела;
0
N - мощность источника тепла;
Р - периметр сечения;
э
λ - теплопроводность эталона;
а
- коэффициент теплопередачи;
ΔТ - задаваемая погрешность измерений температуры.
Устройство для определения тепловых свойств материалов поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена система трех контактирующих тел (прототип);
- на фиг. 2 устройство для определения тепловых свойств материалов.
Система трех контактирующих тел (исследуемый образец, 1-й и 2-й эталоны) теплоизолирована и помещена во внешний термостат, с помощью которого задается требуемая температура опыта, а длина 1-го и 2-го эталонов х, соответствует выражению:
0
где: r - радиус эталонного тела;
0
N - мощность источника тепла;
Р - периметр сечения;
э
λ, - теплопроводность эталона;
а
- коэффициент теплопередачи;
ΔТ - задаваемая погрешность измерений температуры.
Описанное размещение рабочего спая термопары способствует устранению систематических погрешностей измерений тепловых свойств материалов, связанных с неучетом реальных размеров датчика температуры и физической установки математической модели теплопереноса в системе контактирующих тел. При этом, координата рабочего спая термопары может быть определена дополнительными экспериментальными исследованиями (см. ниже). Наличие теплоизоляции на боковых поверхностях системы 3-х контактирующих тел соответствует математической модели метода измерений и повышает точность измерений тепловых свойств исследуемых образцов.
Помещение системы контактирующих тел во внешний термостат с одной стороны обеспечивает возможность проведения измерений при различных значениях температуры, что расширяет функции предполагаемого устройства, а с другой стороны приводит к независимости результатов опыта от изменения температуры окружающей среды, что, в конечном счете повышает точность определения тепловых свойств исследуемого образца.
Для обработки экспериментальных данных при измерении тепловых свойств исследуемых образцов с помощью предложенного устройства используется теоретическое выражение, описывающее изменение температуры со временем во втором эталонном теле и в выбранной точке сечения, положение которого определяется значением координаты х:
0
0
Здесь: q=N/ S - характерная величина теплового потока;
P, S - периметр и площадь поперечного сечения контактирующих тел;
0
N - мощность нагревателя.
При этом критерий Fo должен удовлетворять соотношению Fo→∞.
Исходя из предполагаемой погрешности измерений, этому критерию соответствует длина эталонов, удовлетворяющая выражению (1).
Соблюдение необходимой длины эталонных тел по критерию (1) обеспечивает достижение погрешности измерений, не превышающей заданную.
В результате отмеченного выше повышается точность измерения тепло-, температуропроводности и теплоемкости исследуемых образцов материалов.
Предложенная полезная модель для определения тепловых свойств материалов (фиг. 2) содержит два эталона 1 и 3 с зазором между ними для исследуемого образца 2. Тела 1, 2, 3 покрыты с боковых поверхностей слоем теплоизоляции 5. Кроме того, устройство включает плоский источник теплового нагрева 4, который размещен на границе первого эталона 1 с исследуемым образцом 2, и соединенный с блоком электропитания и управления 6, термопару 7, измеритель температуры 8, ЭВМ 9. При этом рабочий спай термопары 7 находится во втором эталоне 3, вблизи его торца, сопрягаемого с исследуемым образцом 2. Вся система тел 1, 2, 3, 4, 5 помещена в термостат (на фиг. 2 не показан).
Тепловые свойства материалов определяют на исследуемом образце 2 круглой формы и толщиной L. Причем в отличие от прототипа длина образца 2 может превышать его диаметр, что позволяет исследовать образцы, обладающие существенно неоднородной структурой, например, горные породы.
Материалом эталонов 1 и 3 (полуограниченных тел) служит полиметилметакрилат или кварцевое стекло марки КB, длина эталонов 1 и 3 выбирается из условия (1) 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 датчиком температуры служит термопара 7, типа «хромель-копель».
Полезная модель работает следующим образом.
Определение тепловых свойств осуществляют в два этапа.
На первом этапе в качестве исследуемого образца 2 используют контрольный образец с известными тепловыми свойствами толщиной L, выполненный из того же материала, что и эталонные тела 1 и 3.
Перед измерением тепловых свойств контрольный образец 2 вставляют в зазор между первым 1 и вторым 3 эталонами. Всю систему контактирующих тел 1, 2, 3 зажимают с помощью струбцины (на фиг. 2 не показана).
Блоком электропитания и управления 6 с помощью плоского источника теплового нагрева 4, выполненного или напылением на торце первого эталона 1 или из тонкой нихромовой фольги, задают режим постоянного теплового потока в системе контактирующих тел 1, 2, 3 и фиксируют результаты в ЭВМ 9.
Одновременно с помощью термопары 7 и измерителя температуры 8 измеряют температуру в сечении х эталонного тела 3 и фиксируют в ЭВМ 9.
d
Данные замеров температуры записывают в файл File 1. При этом на их основании по формулам (4), вычисляют коэффициент теплопередачи а с боковой поверхности контактирующих тел 1, 2, 3 и положение термопары 7 х/:
На втором этапе в зазор между первым 1 и вторым 3 эталонами вставляют исследуемый образец 2. Систему контактирующих тел 1, 2, 3 также зажимают с помощью струбцины.
Измерения осуществляют аналогично 1-ому этапу на том же режиме постоянного нагрева (см. 1-й этап).
∞
Из анализа температурных замеров 2-го этапа находят величины Θ, Θ
a
d
∞
2
Зная значение , x, Θ по формуле (5) определяют коэффициент теплопроводности образца λ
а
2
а по формуле (6) коэффициент температуропроводности :
v
2
2
а
Используя известное соотношение С.=λ/ находят объемную теплоемкость.
Приведем пример выполненных замеров.
На первом этапе, когда все три тела 1, 2 и 3 выполнены из одного материала, замеры температуры проводились при следующих исходных данных:
U=1.6 v;- напряжение;
А=0.43 а;- ток;
L=0.00634;"м";- длина образца;
=0.194;"вт/м*град"; - теплопроводность эталона;
а
∧
2
=1.15*10-7;"м/с"; - температуропроводность эталона;
=0.015; "м"; - радиус сечения;
"c"; - характерное время;
- величина теплового потока;
=31.8085С°; - характерная температура.
По формулам (4) находим параметр β и затем положение термопары 7:
а также вычисляем коэффициент теплопередачи α:α =7.89034.
Зная коэффициент теплопередачи α и положение термопары 7, можно приступить ко второму этапу эксперимента - определению тепловых свойств исследуемого образца.
d
На втором этапе проведен замер температуры для исследуемого образца 2, с помощью термопары 7, расположенной в определенном месте сечения х. Результаты записаны в новый файл (File_2). Далее по формулам (5), (6) найдены теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца 2. Для рассматриваемого эксперимента:
=0,9937887 или в размерных переменных:
2
-7
2
,=0.194 вт/м*град, а=1.143 * 10 м/с.
-7
2
Для сравнения приведем точные значения: =0.194 вт/м*град, =1.15*10 м/с.
Таким образом, полученные результаты по теплопроводности совпадают с данными ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, а по температуропроводности полученные результаты отличаются весьма незначительно.
Описанное размещение рабочего спая термопары способствует устранению систематических погрешностей измерений тепловых свойств материалов, связанных с не учетом реальных размеров датчика температуры, и неполным соответствием физической установки математической модели теплопереноса в системе контактирующих тел. Использование теплоизоляции боковых поверхностей системы контактирующих тел и необходимой длины этих тел позволяет более полно соответствовать математической модели метода.
Помещение системы контактирующих тел во внешний термостат с одной стороны обеспечивает возможность проведения измерений при различных значениях температуры, а с другой стороны приводит к независимости результатов опыта от изменения температуры окружающей среды.
В результате отмеченного выше повышается точность измерения тепло-, температуропроводности и теплоемкости исследуемых образцов материалов и расширяется температурный диапазон исследований.