SU1718078A1 - Способ комплексного определени теплофизических характеристик и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к неразрушающим испытани м и может быть использовано дл  измерени  теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности веществ и материалов в широком диапазоне температур. Цель изобретени  - повышение точности и сокращение времени измерений. Измен   посто нную времени Г0 дифференциатора-инвертора, вход щего в измерительную цепь обратной тепловой св зи, в системе возбуждают автоколеба ни . По величине Т0 , при которой возникают автоколебани , определ ют тепловую активность образца. Измер   средние значени  мощности, выдел емой на поверхно сти исследуемого образца, и температуры, наход т теплопроводности. По тепловой активности и теплопроводности вычисл ют температуропроводность образца. Это позвол ет повысить точность и сократить врем  измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. Ё

Description

Изобретение относитс  к неразрушающим испытани м и может быть использовано дл  измерени  теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности веществ и материалов в широком диапазоне температур.

Известен способ комплексного определени  теплофизических характеристик, состо щий в том, что исследуемый образец включают в систему автоматического регулировани  в качестве элемента обратной св зи, а петлю обратной св зи замыкак при помощи теплового потока через образец . Измен   коэффициент усилени  регул тора , в системе автоматического регулировани  возбуждают автоколебани , по частоте которых определ ют температуропроводность , а по критическому значению коэффициента усилени  - теплопроводность образца.

Недостатком данного способа  вл етс  невысока  точность измерений.

Известно устройство дл  комплексного определени  теплофизических характера стик, содержащее дифференциальную термопару , источник опорного напр жени , регул тор и нагреватель, замкнутые в систему автоматического регулировани  через исследуемый образец.

Недостатком данного устройства  вл етс  низка  точность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути  вл етс  способ комплексного определени  теплофизических харак00

о VJ

00

теристик и реализующее его устройство, состо щий в том. что возбуждают автоколеба- ни  в системе автоматического регулировани  с тепловой обратной св зью, тепловой элемент которой привод т в тепловой контакт с образцом. Реализующее данный способ устройство содержит термостат , дифференциальную термопару, нагреватель , блок сравнени , регистратор и источник опорного напр жени .

Недостатками данного способа и реализующего его устройства  вл ютс  невысока  точность измерений и большие затраты времени на измерени .

Целью изобретени   вл етс  повышение точности и сокращение времени измерений .

Цель достигаетс  тем, что автоколебани  возбуждают, измен   посто нную времени системы, по критическому значению посто нной времени определ ют тепловую активность, по средним значени м мощности нагревател  и температуры образца - теплопроводность, а по теплопроводности и тепловой активности вычисл ют температуропроводность образца.

В данном способе по критической величине посто нной времени системы автоматического регулировани  (САР) с тепловой обратной св зью наход т тепловую активность , а теплопроводность определ ют методом плоского источника по поступающей, на образец удельной мощности и градиенту температуры, по значени м которой определ ют температуропроводность образца.

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

t(x,t)-aT (х, t): T(x, t)| x-o 0

т1(

(д ,t) -atUo-ьа /exp x

°)- 00

x((d.t)dr,(1)

-00

где Т(х, t) о Т(х, t)/dt - скорость изменени  температуры;

T(xt t) - разность температур образца и термостата;

х - координата;

t - врем ; д толщина образца;

К - коэффициент усилени  регул тора;

а - температуропроводность образца;

А - теплопроводность образца;

S - площадь нагревател ;

R - сопротивление нагревател ;

0

U0 опорное напр жение;

а- коэффициент термоЭДС;

г0 - посто нна  времени дифференциатора;

6- мощность, выдел ема  в нагревателе;

т- переменна  интегрировани ; а- функци  Хевисайда, дает следующую формулу дл  определени  тепловой активности;

.«UK2

SR

/2ъ .

(2)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

А

(4)

Из нее следует, что относительна  чувствительность способа составл ет

с, - d ос/Toe по

(3)

где гос критическое значение посто нной времени Т0 .

Теплопроводность А определ етс  с чувствительностью и вычисл етс  по формуле

S R Т (6 )

где - среднее квадратичное значени  выходного напр жени  блока сравнени ;

Т (б) - температура образца толщиной д.

Устройство дл  комплексного определени  теплофизических характеристик исследуемого образца 1, содержит термостат 2, дифференциальную термопару 3, нагреватель 4, дифференциатор-инвертор 5, блок 6 сравнени , источник 7 опорного напр жени , 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 дифференци- атора-инвертора 5, подсоединенного первым и вторым выходами соответственно к первому и второму входам коммутатора 9. Блок 6 сравнени  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 дл  комплексного определени  теплофизических характеристик работает следующим образом.

При небольших значени х посто нной времени блока 6 сравнени  в нагревателе 4 выдел етс  посто нна  мощность, а в образце 1 устанавливаетс  стационарное температурное поле:

Т(х)

K2UЈ

При определенных значени х Uo. К и Т0 . называемых критическими, в системе возникают автоколебани . Эти значени  св заны с тепловой активностью соотношением (2), которое может быть использовано дл  ее определени . Теплопроводность образца может быть вычислена по средним значени м выдел емой в нагревателе мощности и температуры Т(5, t) с помощью формулы (5).

Дл  измерени  теплофизических характеристик параметры Do и К следует выбирать такими, чтобы J(d , t) не превышала некоторой налагаемой услови ми эксперимента предельной величины Т0 (в данном случае Т0 2 К). При этом может оказатьс , что диапазона изменени  Г0 недостаточно дл  возбуждени  автоколебаний. Поэтому перед измерени ми необходимо установить значени  Uo и К, которые удовлетвор ли бы следующим услови м:

л К UQ т

дтнт-Т|

о

где Гомакс - максимальное значение посто нной времени ть

Дл  этого первый переключатель дифференциатора-инвертора 5 устанавливают в среднее положение и уменьшением U0 возбуждают автоколебани , одновременно регулиру  К таким образом, чтобы Т (д, t) оставалась в пределах Т0. Измерени  тепло- физических характеристик проводились следующим образом.

В соответствии с требовани ми, сформулированными выше, были выбраны значени  параметров U0 и К. Затем посто нную времени г0 измен ли от нул  до некоторого критического значени  Г0с , при котором в системе возникали автоколебани . Значение Гос определ ли, измер   регистратором сопротивление резисторов RC-цепочки дифференциатора-инвертора 5, при котором происходит возбуждение автоколебаний . Так как блок 6 и источник 7 опорного напр жени  были прокалиброваны заранее , и в дальнейшем U0 и К не измен лись, то тепловую активность измер ли, определ   экспериментально лишь один параметр Го . Дл  нахождени  теплопроводности измер ли действующие значени  выходных напр жений блока 6 сравнени  и диффе

10

15

20

30

35

40

45

50

55

ренциатора-инвертора 5. Тепловую активность и теплопроводность вычисл ли по формулам (2) и (4).

Использование изобретени  позвол ет повысить точность измерений за счет увеличени  чувствительности измерени  тепловой активности по критической посто нной времени примерно в 4 раза. Сокращаетс  врем  измерений, поскольку не требуетс  установлени  определенной амплитуды ко лебаний и регистрации необходимого числа полных циклов колебаний.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ комплексного определени  теплофизических характеристик, состо щий в том, что возбуждают автоколебани  в системе автоматического регулировани  с тепловой обратной св зью, тепловой элемент которой привод т в тепловой контакт с образцом, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и сокращени  времени измерений, автоколебани  возбуждают , компенсиру  сдвиг фазы сигнала тепловой обратной св зи изменением посто нной времени системы, при этом по критическому значению посто нной времени определ ют тепловую активность, по средним значени м мощности нагревател  и температуры образца - теплопроводность , а по тепловой активности теплопроводности - температуропроводность образца.
2. 2. Устройство дл  комплексного определени  теплофизических характеристик, содержащее термостат, дифференциальную термопару, нагреватель, блок сравнени , регистратор и источник опорного напр жени , выход которого соединен с первым входом блока сравнени , один из спаев дифференциальной термопары закреплен на термостате, а другой закреплен на образце , отличающеес  тем, что оно снабжено коммутатором и дифференциатором-инвертором , подключенным первым и вторым входами к выводам дифференциальной термопары, первым и вторым выходами - соответственно к первому и второму входам коммутатора и третьим выходом - к второму входу блока сравнени , выход которого подсоединен к нагревателю и к третьему входу коммутатора, подключенного выходом к входу регистратора.