Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов
DEVICE FOR MEASURING HEAT CONDUCTIVITY OF SOLID MATERIALS

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к устройствам для определения теплопроводности материалов, и может быть применено для определения теплотехнических свойств материалов, например, при проектировании режимов термообработки металлоизделий.
Известно устройство для определения коэффициента теплопроводности, содержащее линейный импульсный нагреватель, средства измерения температуры и средство управления нагревателем (SU 131119, 1960 [1]). Недостатком является невысокая точность определения искомого параметра.
Известен дифференциальный калориметр, в котором с целью повышения чувствительности между двумя ячейками установлена дифференциальная батарея, которая подает сигнал на реле, включающее или выключающее цепь подогрева, при этом количество включений фиксируется счетным устройством. Это позволяет относительно точно определять мощность, подводимую в компенсационную ячейку за время включения нагревателя (SU 154691, G01K, 1963 [2]). Однако известное устройство не обеспечивает высокой точности определения подводимой мощности к нагревателю, а следовательно, и определения искомого параметра. Даже применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности. Поэтому просто измерений времен включений при известном напряжения питания для точных измерений недостаточно.
Известно устройство для определения теплопроводности материалов, содержащее изотермический зонд, в котором размещен нагревательный элемент, к которому подключен регулятор-измеритель температуры. Устройство снабжено счетчиком контроля выделенной зондом энергии и счетчиком времени рассеивания энергии (SU 1755151, G0N 25/18, 1992 [3]). Для определения теплопроводности по расчетной формуле учитывают такие показатели параметров устройства как напряжение и сила тока нагревательного элемента, показатели счетчика рассевания энергии, перепад температур, геометрические размеры зонда. Как видно, при определении искомого параметра используют измеренные напряжение и силу тока нагревательного элемента. Это позволяет определить выделенную на нагревателе тепловую мощность. Однако такие измерения не обеспечивают высокую точность определения теплопроводности. Применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности. В самом деле, на результат влияет изменение внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагревателя, поэтому просто измерений тока в нагрузке и напряжения для точных измерений недостаточно.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известное устройство для определения коэффициента теплопроводности, которое может быть использовано при изучении влияния химического состава, структуры и режима термообработки на свойства материалов. Устройство содержит нагреватель с размещаемым в нем образцом в виде стержня, средства измерения температуры на концевых частях стержня и схему регулирования мощности нагревателя (SU 765712, G0N 25/18, 1980 [4]).
Недостатком является невысокая точность определения искомого параметра. Это обусловлено отсутствием в первую очередь средств измерения подводимой мощности к нагревателю, а следовательно, и определения искомого параметра.
Заявляемое устройство для измерения теплопроводности твердых материалов направлено на повышение точности измерения искомого параметра.
Указанный результат достигается тем, что устройство для измерения теплопроводности твердых материалов содержит средство нагрева с размещаемым в нем образцом в виде стержня, средства измерения температуры концевых частей стержня и блок регулирования мощности средства нагрева. При этом средство нагрева выполнено виде двух охватывающих концы стержня калориметрических ячеек с одинаковыми электрическими нагревателями, а блок регулирования мощности средства нагрева в виде компьютера, при этом блок питания средств нагрева выполнен в виде подключенной к электросети через выпрямитель емкости, к которой через управляемое компьютером реле параллельно соединена снабженная измерителем напряжения вторая емкость, через управляемые компьютером реле соединенная с нагревателями обеих калориметрических ячеек.
Указанный результат достигается также тем, что калориметрические ячейки размещены в корпусе, заполненном теплоизолирующим материалом.
Указанный результат достигается также тем, что каждая калориметрическая ячейка снабжена индивидуальным теплоотводом.
Указанный результат достигается также тем, что теплоотводы калориметрических ячеек выполнены в виде стержней, соединяющих рубашки ячеек с боковыми стенками корпуса.
Указанный результат достигается также тем, что каждая калориметрическая ячейка выполнена в виде керамического стакана с намотанным на нее электронагревателем, охваченным керамическим чехлом и размещенным в металлической рубашке, в теле которой установлена термопара.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- средство нагрева выполнено в виде двух охватывающих концы стержня калориметрических ячеек с одинаковыми электрическими нагревателями;
- блок регулирования мощности средства нагрева выполнен в виде компьютера, а блок питания средств нагрева выполнен в виде подключенной к электросети через выпрямитель емкости, к которой через управляемое компьютером реле параллельно соединена снабженная измерителем напряжения вторая емкость, через управляемые компьютером реле соединенная с нагревателями обеих калориметрических ячеек;
- калориметрические ячейки размещены в корпусе, заполненным теплоизолирующим материалом;
- каждая калориметрическая ячейка снабжена индивидуальным теплоотводом;
- теплоотводы калориметрических ячеек выполнены в виде стержней, соединяющих рубашки ячеек с боковыми стенками корпуса;
- каждая калориметрическая ячейка выполнена в виде керамического стакана с намотанным на нее электронагревателем, охваченным керамическим чехлом и размещенным в металлической рубашке, в теле которой установлена термопара.
Выполнение средства нагрева виде двух охватывающих концы стержня калориметрических ячеек с одинаковыми электрическими нагревателями позволяет задавать мало различающиеся температуры ячеек, что обеспечивает повышение точности измерения. Записав уравнение теплового баланса для каждой ячейки дифференциального калориметра, получаем систему уравнений
Здесь индекс 1 относится к первой ячейке, индекс 2 - ко второй.
1i
2j
Q и Q - тепловые потоки каждой из двух ячеек дифференциального калориметра
Учитывая потери через теплоизоляцию, получим уравнения
i
1п
2п
i
где W - мощности нагревателей ячеек, w(T) и w(T) - мощности тепловых потерь ячеек, T - их температура, х - расстояние теплопередачи, λ(Т) - коэффициент теплопроводности, S - сечение образца.
Очевидно, что измерения приемлемой точности можно получить тогда, когда слагаемые в уравнениях близки. Однако регулирование тепловой мощности на уровне тепловых потерь затруднительно, да и величина тепловых потерь в значительной степени носит случайный характер. При этом будем считать, что тепловые потери, включая паразитный теплообмен ячеек между собой, малы по сравнению с остальными тепловыми потоками и мощностями нагревателя. Отсюда следует, что измерения будут корректны при мало различающихся температурах ячеек, тогда для построения зависимости λ(Т) можно брать среднюю температуру ячеек.
Снабжение устройства блоком регулирования мощности средства нагрева в виде компьютера и блоком питания средств нагрева в виде подключенной к электросети через выпрямитель емкости, к которой через управляемое компьютером реле параллельно соединена снабженная измерителем напряжения вторая емкость, через управляемые компьютером реле соединенная с нагревателями обеих калориметрических ячеек, позволяет точно определить подаваемую на каждую ячейку энергию и мощность, а следовательно, и искомый параметр. Обеспечивается это тем, что предлагаемый блок питания позволяет осуществление питания нагревателей обоих ячеек периодическим разрядом на них подключенного общего конденсатора, регулируя подачу на нагреватели различных величин энергии, определяемых по числу импульсов питания и по измерению напряжения конденсатора перед каждым импульсом, и регулируя выделяемую на нагревателях мощность путем изменения количества импульсов в единицу времени. Это и позволяет существенно повысить точность измерения теплопроводности образца. Для ее достижения необходимо иметь источник питания, обеспечивающий не только высокую стабильность мощности на нагревателях, но и знание ее величины. Применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности. В самом деле, на результат влияет изменение внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагревателя, поэтому просто измерений тока в нагрузке и напряжения для точных измерений недостаточно. Особенности работы источника питания по предлагаемому алгоритму позволяет обеспечить преимущества за счет следующих факторов:
2
1
2
- энергия отдельного импульса, питающего нагреватель калориметрической ячейки, может быть с высокой точностью определена по формуле Е=CU/2, где U - напряжение, считанное измерителем V (см. схему источника питания). Эта энергия не зависит от величины сопротивления нагрузки, если время разряда емкости на нагрузку достаточно велико;
- для подачи на ячейку калориметра заданной величины энергии необходимо подать на нее нужное число импульсов питания, просуммировав их энергии до достижения заданного значения;
- для подачи на ячейку заданной мощности необходимо подать в единицу времени некоторое количество импульсов, контролируя их суммарную энергию и корректируя при необходимости их количество.
Описываемый алгоритм работы легко реализуется с помощью компьютера, используемого для управления блоком питания.
Калориметрические ячейки целесообразно размещать в корпусе, заполненном теплоизолирующим материалом для того, чтобы снизить тепловые потери, включая паразитный теплообмен ячеек между собой и, следовательно, погрешность измерения.
Снабжение каждой калориметрической ячейки индивидуальным теплоотводом для повышения точности измерений. Действительно, регулирование тепловой мощности на уровне тепловых потерь затруднительно, да и величина тепловых потерь в значительной степени носит случайный характер. Дополнительный теплоотвод от каждой ячейки на массивный корпус устройства позволяет решить эту проблему. Наиболее целесообразно выполнить теплоотводы калориметрических ячеек в виде стержней, соединяющих рубашки ячейки с боковой стенкой корпуса.
Оптимальной представляется конструкция, когда каждая калориметрическая ячейка выполнена в виде керамического стакана с намотанным на нее электронагревателем, охваченным керамическим чехлом и размещенным в металлической рубашке, в теле которой установлена термопара. Наличие металлической рубашки обеспечивает выравнивание температуры внутри ячеек.
Сущность заявляемого устройства поясняется примером реализации и чертежами. На фиг. 1 представлено упрощенное изображение устройства. На фиг. 2 представлена упрощенная схема импульсной системы питания нагревателей ячеек. На фиг. 3 представлена в разрезе конструкция отдельных ячеек.
1
1
2
1
2
H1
H2
1
2
3
Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов содержит корпус 1, теплоизоляционный материал 2, калориметрические ячейки 3, образец 4, стержни тепловых мостов (теплоотводы) 5, выводы нагревателей и термопар 6, контакты для подключения системы измерений и блока питания нагревателей 7, боковые стенки 8 корпуса 1. Устройство содержит импульсный блок питания с компьютерным управлением, схема которого представлена на фиг. 2. Блок содержит емкость C, которая через выпрямитель, трансформатор и ограничивающий ток резистор R заряжается от сети. От этой емкости, являющейся буферным накопителем энергии, через сопротивление R и нормально-замкнутый контакт реле k заряжается рабочая емкость С. R и R - сопротивления нагревателей, управляемые реле k, k и k.
Калориметрическая ячейка содержит керамический стакан 9, на котором размещена обмотка нагревателя 10, охваченная керамическим чехлом 11. Указанная сборка установлена внутри металлической рубашки для выравнивания температуры 12, в теле которой установлена термопара 13.
Устройство используется следующим образом. Образец 4 для измерений выполняется в виде стержня постоянного сечения. Длина и диаметр стержня должны быть такими, чтобы он максимально заполнял объем стакана 9 калориметрической ячейки 3. Это уменьшает тепловое сопротивление между ячейкой и образцом и, следовательно, погрешность измерения.
В качестве керамических элементов 9 и 11 ячейки 3 можно использовать тонкостенные трубки из корундовой керамики, спираль 10 нагревателя - нихром или фехраль, рубашки 12 ячеек для выравнивания температуры должны быть изготовлены из жаростойкого материала с достаточной теплопроводностью (один из наилучших вариантов - эльконайт, однако возможно применение жаростойких или нержавеющих сталей). В качестве теплоизоляционных материалов 2 можно применять современные мягкие материалы на основе окиси алюминия. Использование таких материалов позволяет проводить измерения от комнатной температуры до 1300°C, что перекрывает диапазон температур термообработки сталей, сплавов меди, алюминия, титана.
1
1
2
1
Помещают образец 4 в ячейки 3, подают на нагреватели ячеек 10 мощности, обеспечивающие незначительные различия температуры ячеек. Емкость C через выпрямитель, трансформатор и ограничивающий ток резистор R заряжается от сети. От этой емкости, являющейся буферным накопителем энергии, через сопротивление R и нормально-замкнутый контакт реле k заряжается рабочая емкость.
H1
H2
1
2
1
2
3
2
2
1
2
Для подачи импульса энергии в нагрузку (R или R) контакты реле k размыкают, производят отсчет напряжения на конденсаторе С с помощью измерителя V, а затем замыкают контакты реле k или k в зависимости от того, в какую ячейку калориметра необходимо подать импульс. После полной разрядки конденсатора С схему возвращают в исходное состояние, что приводит к повторной зарядке емкости С. Емкость C дозаряжается непрерывно по мере отбора от нее энергии на перезарядку С.
После достижения стационарных условий (не изменяющиеся в течение некоторого времени температуры) производят отсчет значений мощности, температур и вычисляют коэффициент теплопроводности.
Повторяют процедуру с повышением мощностей и температур, пока не будет получена зависимость во всем необходимом диапазоне температур. При необходимости повторяют измерения, двигаясь со снижением мощностей от максимальной температуры до минимальной.
Установка, реализованная в соответствии с заявляемым изобретением, имела следующие характеристики. Размеры внутреннего стакана ячейки - 8×40 мм, обмотка нагревателя изготовлена из нихрома и имеет сопротивление 4.5 Ом, рубашка ячейки изготовлена из нержавеющей стали и имеет толщину стенки 15 мм. Каждый из тепловых мостиков (теплоотводов) представляет собой 12 стержней из нержавеющей стали диаметром 2 мм. Каждый стержень размещен в пазу рубашки ячейки и приварен к ней в трех местах. Противоположные концы стержней приварены к боковой стенке корпуса устройства, имеющей толщину 10 мм и оребрение с наружной стороны. Расстояние от торца ячейки до стенки корпуса 20 мм, расстояние между торцами ячеек 40 мм.
Корпус герметичен, допускает вакууммирование и заполнение защитным газом. Все проводные соединения выполнены с помощью гермовводов.
1
2
Для устройства был создан блок питания, в котором использовались быстродействующие электронные реле, управляемые импульсами от контроллера комплекса. В качестве измерителя напряжения использовался АЦП контроллера, необходимая временная последовательность управляющих импульсов формировалась программно. Система питания установки имеет на входе разделительный трансформатор 220/220 В, 400 Вт. Все резисторы проволочные, имеют сопротивление 4.5 Ом. Конденсатор C электролитический, 1000 мф, 450 В, С - пусковой, 25 мф, 450 В. В блоке питания используется быстродействующие электронные реле 5П40.10ПА1-75-4-Д68, управляемые от контроллера через оптронную развязку.
Для экспериментов использован образец из стали 65Г диаметром 4 мм, длиной 120 мм. При температурах ячеек 610°C и 639°C мощность нагревателей в стационарных условиях составила 19.0 и 22.4 Вт, что позволяет определить, что теплопроводность материала образца составляет при температуре 620°C величину 49 Вт/м/град.