УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ АКТИВНОСТИ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области теплофизических измерений и применяется для измерения и неразрушающего контроля параметров тепловой активности образцов твердых материалов и изделий из них.
Работа устройства основана на методе периодического нагрева в среде контактирующих тел и относится к группе нестационарных методов измерения теплофизических свойств [1].
Известно устройство измерения температуропроводности цилиндрического образца, подвергаемого периодическому нагреву в печи [2]. Температурные датчики располагаются в продольных отверстиях образца, причем одно отверстие расположено по его оси, другое - ближе к цилиндрической поверхности. О температуропроводности судят по соотношению амплитуд установившихся гармонических колебаний температуры. Сложность пробоподготовки, длительные временные измерения, неоднородность процессов нагрева/охлаждения приводят к погрешности и увеличению трудоемкости процесса измерения.
Известно также устройство, в котором образец в виде уплощенного цилиндра помещен между плоским нагревателем и термоизолирующим материалом. Температурные колебания измеряют на двух торцах образца. По характеру затухания амплитуды и сдвигу фазы судят о температуропроводности. Здесь также применяются образцы специальной формы. Наличие двух тепловых контактов, в которых проводятся измерения температуры, ведет к снижению точности измерений.
Общим недостатком указанных устройств является их высокая стоимость, сложность пробоподготовки образцов, регистрации измерений и высокая погрешность.
Известно изобретение [3], взятое за ближайший аналог, содержащее исследуемый образец, на поверхности которого установлена эталонная пластина, изготовленная из материала с известными тепловыми свойствами. Поверхность пластины, противоположную контактирующей с исследуемым образцом, подвергают периодическому нагреву с помощью плоского нагревателя (источника теплоты), подключенного к блоку управления. Одновременно с помощью вмонтированных в пластину температурных датчиков регистрируют температурные изменения в двух точках, расположенных внутри пластины: вблизи нагревателя и около контактирующей поверхности. Изменения температуры регистрируются регистратором (измерителем температуры). Эталонная пластина, источник теплоты и датчики температуры, смонтированные вместе, представляют собой датчик тепловой активности. После выполнения эксперимента (регистрации нескольких периодов температурных колебаний) выделяют гармонические составляющие, например, с помощью спектрального анализа и рассчитывают отношение амплитуд для двух температурных датчиков. По этому отношению с помощью приведенных формул оценивают тепловую активность исследуемого образца [3].
Известное изобретение [3] недостаточно раскрывает физическую сущность и принцип измерения тепловой активности образцов, поскольку эффективная реализации данного процесса требует согласованной работы источника теплоты и измерителя температур с обеспечением оперативной математической обработки результатов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является автоматизация процесса измерений тепловой активности образцов твердых материалов и изделий из них с повышением точности.
Достигаемый технический результат: повышение точности и производительности измерений тепловой активности образцов.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения тепловой активности образцов материалов содержит датчик тепловой активности, контактирующий с исследуемым образцом, измеритель температур, блок питания нагревателя датчика и блок коммутации.
От ближайшего аналога заявляемое устройство отличается тем, что дополнительно содержит персональный компьютер с необходимым программным обеспечением, подключенный посредством блока коммутации, при этом измерителем температур служит цифровой двухканальный термометр. Кроме того:
- датчик тепловой активности содержит датчик температуры, источник теплоты и эталонную пластину;
- эталонная пластина изготовлена из материала с известными тепловыми свойствами;
- источник теплоты подключен к блоку коммутации;
- цифровой двухканальный термометр соединен через блок коммутации с персональным компьютером.
Использование цифрового двухканального термометра позволяет проводить измерения более точно и более оперативно передавать результаты на персональный компьютер.
Сущность заявленного технического решения поясняется схемой.
На фиг. 1 представлена блок-схема работы устройства.
Устройство представляет собой автоматизированную систему, состоящую из датчика тепловой активности (1), приводимого в плотный контакт с исследуемым образцом (2), цифрового двухканального термометра (3), блока питания нагревателя датчика (4), блока коммутации (5) и персонального компьютера с программным обеспечением (6).
Датчик тепловой активности (1) изготовлен согласно [3] и включает датчик температуры, источник теплоты и эталонную пластину.
Блок коммутации (5) обеспечивает передачу информации от цифрового двухканального термометра (3) на персональный компьютер (6) и управляет работой источника теплоты датчика тепловой активности (1) по командам с персонального компьютера (6).
Перед началом измерений оператор запускает работу программы и вводит необходимые параметры: тип датчика, его градуировочную зависимость, количество периодов нагрева и их длительность. Запуск процесса измерений осуществляется кнопкой «Старт», после чего команды программы передаются в блок коммутации (5), который осуществляет непосредственное управление процессом нагрева/охлаждения исследуемого образца (2) и записи измеряемых температур. Измеритель температуры представляет собой цифровой двухканальный термометр (3), который позволяет одновременно регистрировать и измерять изменения температуры с двух термопар датчика тепловой активности (1). Данные цифрового двухканального термометра (3) через блок коммутации (5) передаются в персональный компьютер (6), где происходит сохранение результатов и построение графиков текущих температур.
Вычисление тепловой активности осуществляется после окончания цикла измерений путем автоматической обработки полученных результатов с помощью выбранной градуировочной зависимости. Результаты вычисления тепловой активности выводятся на экран персонального компьютера (6).
Источники информации
1. Филиппов Л.П. Измерение теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева. М.: Энергоатомиздат, 1984, 104 с.
2. Кириченко Ю.А. Измерение температуропроводности методом радиальных температурных волн в цилиндре // Измерительная техника. 1960. №5. С. 29-32.
3. Д.Ю. Демежко, В.В. Дергачев, Д.Г. Рыбкин, А.В. Климшин. Способ определения тепловой активности материалов и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2462703.