Способ комплексного определения теплофизических характеристик и устройство для его осуществления

Способ комплексного определения теплофизических характеристик и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к неразрушающим испытаниям и может быть использовано для измерения теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности веществ и материалов в широком диапазоне температур. Цель изобретения - повышение точности и сокращение времени измерений. Изменяя постоянную времени Г0 дифференциатора-инвертора, входящего в измерительную цепь обратной тепловой связи, в системе возбуждают автоколеба ния. По величине Т0 , при которой возникают автоколебания, определяют тепловую активность образца. Измеряя средние значения мощности, выделяемой на поверхно сти исследуемого образца, и температуры, находят теплопроводности. По тепловой активности и теплопроводности вычисляют температуропроводность образца. Это позволяет повысить точность и сократить время измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1718078 А1 (я)5 G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4788611/25. (46) 07.03.92. Бюл. N. 9 (71) Ярославский государственный университет (72) Ю.Н.Бурцев, А.С.Рудный и С.Е.Биркган (53) 536.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1267241, кл. G 01 N 25/18, 1985.

Алексеев В.П. и др. Определение теплофизических характеристик методом автоколебаний. ИФЖ. 1987; М 2. с.255-260.

Авторское свидетельство СССР

М 1518750; кл. G 01 N 25/18, 1989. (54) СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) Изобретение относится к неразрушающим испытаниям и может быть использовано для измерения теплопроводности, Изобретение относится к неразрушающим испытаниям и может быть использовано для измерения теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности веществ и материалов в широком диапазоне температур.

Известен способ комплексного определения теплофизических характеристик, состоящий в том, что исследуемый образец включают в систему автоматического регулирования в качестве элемента обратной связи, а петлю обратной связи замыкают при помощи теплового потока через образец. Изменяя коэффициент усиления регулятора, в системе автоматического регулирования возбуждают автоколебания, по частоте которых определяют температутемпературопроводности и тепловой активности веществ и материалов в широком диапазоне температур. Цель изобретения— повышение точности и сокращение времени измерений. Изменяя постоянную времени дифференциатора-инвертора, входящего в измерительную цепь обратной тепловой связи, в системе возбуждают автоколеба-; ния. По величине r<, при которой возникают автоколебания, определяют тепловую активность образца. Измеряя средние значения мощности, выделяемой на поверхности исследуемого образца, и температуры, находят теплопроводность, По тепловой активности и теплопроводности вычисляют температуропроводность образца. Это позволяет повысить точность и сократить время измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. вавайю ропроводность, а по критическому значению коэффициента усиления — теплопроводность образца. 00

Недостатком данного способа является невысокая точность измерений.

Известно устройство для комплексного определения теплофизических характеристик, содержащее дифференциальную термопару, источник опорного напряжения, регулятор и нагреватель, замкнутые в систему автоматического регулирования через исследуемый образец.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является способ комплексного определения теплофиэических харак1718078 теристик и реализующее его устройство, состоящий в том, что возбуждают автоколебания в системе автоматического регулирования с тепловой обратной связью, тепловой элемент которой приводят в теп- 5 лавой контакт с образцом. Реализующее данный способ устройство содержит термастат, дифференциальную термопару, нагреватель, блок сравнения, регистратор и источник опорного напряжения. 10

Недостатками данного способа и реализующего его устройства являются невысокая точность измерений и большие затраты времени на измерения, Целью изобретения является повыше- 15 ние точности и сокращение времени измерений.

Цель достигается тем. что автоколебания возбуждают, изменяя постоянную времени системы, по критическому значению 20 постоянной времени определяют тепловую активность, по средним значениям мощности нагревателя и температуры образца— теплопроводность, а по теплопроводности и тепловой активности вычисляют темпера- 25 туропроводность образца.

В данном способе по критической величине постоянной времени системы автоматического регулирования (САР) с тепловой обратной связью находят тепловую актив- 30 ность, а теплопроводность определяют методом плоского источника по поступающей. на образец удельной мощности и градиенту температуры, по значениям которой апределяют температуропроводность образца, 35

Исследование уравнения данной САР, имеющего вид нелинейной краевой задачи нестационарной теплопроводности:

Т(х, t) - аТ" (х, t); T(x, t) j х-о - О 2 40

Т (х, Ц„. ) = R (Up + Q fexp x

Q- Т(д,t)drj2 O(Up+a f Ехр х

t — г 45 х (- — Т(д, t)dt), (1) то) где Т(х, t) = д Т(х, t)/dt — скорость изменения температуры;

Т(х, t) — разность температур образца и 50 термостата: х — координата;

t — время; д- толщина образца;

К вЂ” коэффициент усиления регулятора; 55 а — температуропроводность образца;

il- теплопроводность образца;

S — площадь нагревателя;

R — сопротивление нагревателя;

Оо — опорное напряжение; а — коэффициент термоЭДС;

rp — постоянная времени дифференциатора; д- мощность, выделяемая в нагревателе; т- переменная интегрирования; (т- функция Хевисайда, дает следующую формулу для определения тепловой активности: ц 2

Из нее следует, что относительная чувствительность,способа составляет (3) где г;с — критическое значение постоянной времени tp .

Теплопроводность il определяется с чувствительностью Я = 1 и вычисляется по формуле 0вых д а

" 7Т (4) где <О цх> — среднее квадратичное значе2 ния выходного напряжения блока сравнения;

< Т (д) > — температура образца толщиной д.

Устройство для комплексного определения теплофизических характеристик исследуемого образца 1, содержит термастат 2, дифференциальную термопару 3, нагреватель 4, дифференциатор-инвертор 5, блок 6 сравнения, источник 7 опорного напряжения, регистратор 8 и коммутатор 9.

Один из спаев дифференциальной термопары 3 закреплен на термостате 2, а второй — на исследуемом образце 1. Выводы дифференциальной термопары 3 подключены к соответствующим входам дифференциатора-инвертора 5, подсоединенного первым и вторым выходами соответственно к первому и второму входам коммутатора 9.

Блок 6 сравнения подключен. первым входом к выходу Источника 7, вторым входом— к третьему выходу дифференциатора-инвертора 5 и выходом — к термопаре 3 и к третьему входу коммутатора 9, выход которого соединен с входом регистратора 8, Устройство для комплексного определения теплофизических характеристик работает следующим образом.

При небольших значениях постоянной времени блока 6 сравнения в нагревателе 4 выделяется постоянная мощность, а в образце 1 устанавливается стационарное температурное поле:

171Я078

Т()= ""

Ренциатора-инвертора 5. Тепловую активТ(х) = (5)

XÈ S () ность и теплопроводность вычисляли по

При определенных значениях U, К и Формулам (2) и (4). т;, называемых критическими, в системе

Использование изобретения позволяет возникают автоколебания. дти значения 5 lloDblcMTb точность измеРений за счет увелисвязаны с тепловой активностью соотноше- чвниЯ чувствитвльности иэмерениЯ теплонием (2) которое может быть использовано 80А активности llo кРитической постоЯнной для ее определения. Теплопроводность об- Р"". примеРно в 4 Раза. СокРащаетсЯ раэца может быть вычислена llo средним время измерений, посколькУ не требуется значениям выделяемой в нагревателе мощ- 10 ycraHoa ewa о ределенной амплитуды коности и температуры Т(д т) с помощью фор- лебаний и регистрации необходимого числа мулы (5), полных циклов колебаний..

Для измерения теплофизических характеристик параметры U и К следует выби- Формула изобретения.

p3Tb такими, чтобы не превышала 15 1. Способ комплексного определения некоторой налагаемой условиями экспери- теплофизических характеристик, состоя(B дан н ом щий в о,ч. овоэбужд;ю ав околеба- я в уча Т 2 К), При этом может оказаться, системе автоматического регулирования с чт диапазона изменения т недостаточно тепловой обратной связью, тепловой эледля возбуждения автоколеба ий Поэтому 20 ент которой приводят в тепловой контакт образцом,отл ича ю щийся тем,что, 0 и К котоpble Y oaлe гooрll- Не ю повышения очности и сокра ен я ли бы следующим условиям: времени измерений, автоколебания возбуждают, компенсируя сдвиг фазы сигнала

Uoн Г и 25 террой обре нгой ое з зеенем поRS стоянной времени системы, при этом по где том с — максимальное значение постоянной времени t критическому значению постоянной в емени определяют тепловую активность, по критическому значен нной времеДля этого первый переключатель диф- средним значениям мощности нагревателя ференциатора-инвертора 5 устанавливают 30 и температуры образца — теплопроводв среднее положение и уменьшением Uo ность, а па тепловой активности теплопровозбуждают автоколебания. одновременно в одн ости — теми е ра туро, атуропроводность регулируя К таким образом, чтобы < Т(д, )> образца. оставалась в пределах То. Измерения теплофизических характеристик проводились 35 2. Устройство для комплексногО определения теплофизических характеристик, сосоответствии с требованиями, сфор- держащее термастат; дифференциальную мулированными выше, были выбраны эна- термопару, нагреватель, блок сравнения, чения параметров 0О и К. Затем постоянную регистратор и источник опорного напряжевремени хо изменяли от нуля до некоторого 40 ния, выход которого соединен с первым вхокритического значения то, при котором в дом блока сравнения, один из спаев системе возникали автоколебания. Значе- дифференциальной термопары закреплен ние т определяли, измеряя регистрато- на термостате, а другой закреплен на образром сопротивление резисторов RC-цепочки це. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно дифференциатора-инвертора 5, при кото- 45 снабжено коммутатором и дифференциатором происходит возбуждение автоколеба- ром-инвертором, подключенным первым и ний. Так как блок 6 и источник 7 опорного вторым входами к выводам дифференциальнапряжения были прокалиброваны зара- . ной термопары, первым и вторым выходанее, и в дальнейшем Uo и К не изменялись, ми — соответственно к первому и второму то тепловую активность измеряли, опреде- 50 входам коммутатора и третьим выходом — к ляя экспериментально лишь один параметр второму входу блока сравнения, выход котото . Для нахождения теплопроводности из- рого подсоединен к нагревателю и к третьмеряли действующие значения выходных ему входу коммутатора, подключенного напряжений блока 6 сравнения и диффе- выходом к входурегистратора.

1718078

Составитель В. Костюхин

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор И. Муска

Редактор О. Хрипта

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 875 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5