Устройство для определения теплофизических характеристик твердых материалов

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Карбалевич Нина Александровна Лопатов Геннадий Яковлевич Федотов Александр Кириллович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для определения теплофизических характеристик твердых материалов,содержащее измерительную ячейку, электрический нагреватель, источник питания, термостат, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок аналого-цифрового преобразования сигналов с термопар, блок связи с ПЭВМ, ПЭВМ, а также в термостате система распределения жидкостного теплоносителя выполнена с возможностью управления подачей жидкости к одному или двум блокам измерительной ячейки.(56) 1. Волков Д.П., Кораблев В.А., Заричняк Ю.П. Приборы и методы для измерения теплофизических свойств веществ. Методич. указания к лаб. работам. - С.-П., 2006. - С. 33-39. 2. Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче / Под ред. В.И. Крутова, Е.В. Шишова. - М. Высшая школа, 1988. - С. 189-194. 3. Практикум по теплопередаче / Под ред А.П. Солодова. - М. Энергоатомиздат, 1986. С. 125-130. 4. Саржевский и др. Физический практикум Для физ. спец. вузов / Под ред. Г.С. Кембровского. - Минск Университетское, 1986. - С. 150-155. 5. Шашков А.Г. и др. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. - М. Энергия, 1973. - С. 90-93. 71752011.04.30 Предлагаемое техническое решение относится к ряду лабораторных установок для физического практикума и может использоваться в учебных заведениях при проведении лабораторных работ по курсу теплофизики. Известны устройства для определения теплофизических характеристик твердых материалов 1-5, использующие отдельные составляющие элементы того же функционального назначения, что и в предлагаемом устройстве. Для определения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности используются, как правило, разные установки 1-4 зависимость температуры от времени регистрируется либо с помощью самописца 4, либо с помощью вольтметра (гальванометра) и секундомера 1-3. Недостатком данных устройств является отсутствие наглядности эксперимента, невысокая точность измерения искомых величин, невозможность комплексного определения теплофизических характеристик. Устройства 1 содержат калориметры разных типов (-калориметр, ИТ 400, регулярный бикалориметр), позволяющие измерять коэффициент теплопроводности термоЭДС измеряется с помощью вольтметра, а тепловой поток задается с помощью ЛАТРа(автотрансформатора), либо прокачиванием воды или жидкого азота через один из блоков калориметра. Недостатком данных устройств является необходимость применения тепломера для определения теплового потока, возможность определения только коэффициента теплопроводности , использование только стационарной стадии процесса и исключение из рассмотрения нестационарной и регулярной стадий развития температурного поля, а значит, невозможность определения коэффициента температуропроводности , отсутствие наглядности эксперимента, применение разных установок для реализации различных методик определения . В устройствах 2, 3 для определения коэффициента теплопроводности используется модель плоского слоя с граничными условиями первого и второго рода. Показания термопар регистрируются с помощью вольтметра, тепловой поток задается с помощью ЛАТРа. В стационарном тепловом режиме определяется перепад температур на двух поверхностях образца и по известным величинам теплового потока и геометрическим размерам образца рассчитывается коэффициент теплопроводности. В данных устройствах не используется нестационарная стадия процесса и, таким образом, исключается возможность определения по экспериментальным данным коэффициента температуропроводности. Недостатком является также отсутствие наглядности эксперимента, его невысокая точность. В устройстве 4 импульсным методом определяются коэффициенты тепло- и температуропроводности материала (дерева). Зависимость температуры от времени измеряется с помощью термистора и секундомера. По графику определяется момент времени достижения максимальной температуры в данной точке образца и значение . Недостатком данного устройства является невозможность использования других режимов теплового процесса для определения теплофизических характеристик, отсутствие наглядности эксперимента, невысокая точность. Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство 5. Основным элементом устройства является калориметрическая ячейка, состоящая из двух пустотелых плоскопараллельных медных блоков. Блоки соединяются последовательно и подключаются к термостату, с помощью которого через полости блоков прокачивается вода комнатной температуры. Исследуемый образец состоит из двух плоскопараллельных круглых пластинок, между которыми помещается плоский нагреватель, подключаемый к источнику питания. Система образец-нагреватель вносится в пространство между блоками и сжимается их плоскостями. В качестве датчика температуры используется дифференциальная термопара, один спай которой помещается в центре образца, а второй - на поверхности одного из блоков. Свободные концы термопары подклю 2 71752011.04.30 чаются к самописцу. При включении термостата и нагревателя регистрируется зависимость разности температур на поверхностях пластины от времени. В регулярном режиме рассчитывается коэффициент температуропроводности, а в стационарном режиме - коэффициент теплопроводности. Недостатком данного устройства является невысокая точность эксперимента, невозможность применения иных методик определения коэффициентов тепло- и температуропроводности. Задачей предлагаемого устройства является создание универсальной, компактной,удобной в применении автоматизированной лабораторной установки, обеспечивающей повышение точности измерений, наглядности эксперимента и расширение функциональных возможностей. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения теплофизических характеристик твердых материалов, содержащем измерительную ячейку, электрический нагреватель, источник питания, термостат, дополнительно содержит блок аналогоцифрового преобразования сигналов с термопар, блок связи с ПЭВМ, ПЭВМ, а также в термостате система распределения жидкостного теплоносителя выполнена с возможностью управления подачей жидкости к одному или двум блокам измерительной ячейки. Измерительная ячейка представляет собой систему двух пустотелых алюминиевых блоков - цилиндров, соединенных с термостатом. Между цилиндрами располагаются идентичные по геометрии плоские исследуемые образцы. Для обеспечения хорошего теплового контакта сборка образцов механически сжимается между плоскостями блоков. Для предотвращения утечек тепла с боковых поверхностей образцов и обеспечения одномерности тепловых потоков боковые поверхности образцов теплоизолируются. В зависимости от используемой методики эксперимента жидкостный теплоноситель прокачивается либо через два блока, обеспечивая поддержание постоянной температуры на поверхностях двух образцов, либо через один блок, задавая тепловой поток на поверхности одного из образцов. Для создания теплового потока используется также электрический нагреватель, располагаемый между двумя образцами. Локальный плоский тепловой источник включается в зависимости от выбранной методики эксперимента. Для измерения температуры на поверхностях образцов используются 4 термопары. Две из них расположены на поверхностях блоков, а две другие - на поверхностях образцов. Из этих термопар образуются дифференциальные термопары, измеряющие перепад температур на поверхностях двух образцов. Получение данных с термопар осуществляется посредством использования блока аналого-цифрового преобразования сигналов ( 4018), блока связи с ПЭВМ и ПЭВМ. Реализованная на основе 4018 Р система сбора и обработки информации позволяет измерять напряжение в диапазоне от десятков микровольт до вольт. Для распространенных типов термопар возможно получение результатов непосредственно в виде С. Зависимостипредставляются в виде графиков и таблиц. Экспериментальная установка предназначена для выполнения цикла лабораторных работ по определению коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердых материалов 1. Определение коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов в стационарном режиме при использовании абсолютной и сравнительной методик 2. Определение коэффициентов температуропроводности теплоизоляционных материалов в регулярном режиме с граничными условиями первого и второго рода 3. Определение коэффициентов температуропроводности материалов в нестационарном режиме с использованием теплового источника постоянной мощности и импульсного теплового источника. Измерительная система позволяет исследовать эволюцию температурных полей и на этой основе определять теплофизические характеристики материалов 3 71752011.04.30 а) при различных режимах нагрева (импульсном, постоянном) б) при использовании нагревателей различного типа (электрического, жидкостного) в) при различных граничных условиях (первого и второго рода) г) для различного рода моделей (неограниченной пластины, полуограниченного тела) д) при различных режимах развития температурного поля (нестационарном, регулярном, стационарном) е) с использованием сравнительной и абсолютной методики. Чувствительность применяемых датчиков температуры (термопар) - 0,04-0,06 мВ/К. Теплопроводность исследуемых материалов лежит в пределах 0,01-0,2 Вт/(мК). Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения теплофизических характеристик материалов. На фиг. 2 изображено окно программы, в котором указаны типы и текущие показания термопар, на фиг. 3 приведен график зависимости температуры от времени, на фиг. 4 отображен файл,в котором записываются результаты измерений. Устройство для определения теплофизических характеристик (фиг. 1) включает следующие составные элементы 1. Измерительная ячейка 2. Блок аналого-цифрового преобразования сигналов с термопар 3. Блок связи с ПЭВМ 4. ПЭВМ 5. Термостат 6. Электрический нагреватель 7. Источник питания. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Включается персональный компьютер 4. Перед запуском программы управления сбором информации с датчиков температуры необходимо выбрать режим работы блока аналого-цифрового преобразования сигналов 2 с термопарных датчиков в виде температурных значений, либо значений термоЭДС. Это осуществляется путем запуска компьютерной программы и указанием в ней типов термопар (фиг. 2). Если показания термопарных датчиков регистрируются в градусах ( С), программа автоматически пересчитывает измеряемую термоЭДС в температуру. В окне (фиг. 2) указаны типы и текущие показания термопар, соединенных с блоком. (К блоку аналого-цифрового преобразования сигналов могут подключаться 8 дифференциальных термопар.) Типу К соответствует хромель-алюмелевая термопара. Зная тип термопары, компьютерная программа автоматически пересчитывает значение термоЭДС в температуру. При запуске программы измерения температуры Измерение Т открывается окно, в котором указаны номера термопар. В процессе работы программа снимает показания термопар через каждые 5 секунд. Зависимости температуры от времени отображаются в виде графиков (фиг. 3) и сохраняются в файле данных (фиг. 4). Для реализации граничного условия первого рода на поверхностях образцов используется термостат с автоматической регулировкой температуры. Температура термостатирования лежит в пределах от 20 до 90 С и поддерживается с точностью 0,1 С. Тепловой поток, создаваемый электрическим нагревателем (6), регулируется с помощью источника стабилизированного питания (7). Определение коэффициента теплопроводности осуществляется двумя способами. 1. При использовании абсолютной методики создается симметричная система из двух образцов одинаковой толщины, изготовленных из исследуемого материала. Между образцами располагается электрический нагреватель. Вода из термостата (Устройство термостатирующее измерительное Термостат 3) прокачивается через оба блока. При достижении стационарного режима измеряется перепад температур на одном образце и мощность, подаваемую на нагреватель. Зная толщину образца , плотность теплового потокаи 1-2, рассчитывается коэффициент теплопроводности, используя уравнение 4 2. При реализации сравнительной методики в пространство между блоками помещаются два образца, изготовленные из разных материалов. Вода из термостата прокачивается через один блок, обеспечивая тепловой поток на поверхности исследуемого образца. Второй блок предназначен для стабилизации комнатной температуры на поверхности эталона. В стационарном режиме тепловые потоки, проходящие через оба образца, равны. Измеряя перепад температур на обоих образцах при помощи дифференциальных термопар, зная толщину образцов, измеренную ранее, и теплопроводность эталона, рассчитывается теплопроводность исследуемого образцаээ.эОпределение коэффициента температуропроводности в регулярном режиме осуществляется двумя способами. 3. В первом способе определения коэффициента температуропроводности в регулярном режиме используются две одинаковые плоскопараллельные круглые пластинки равной толщины, изготовленные из исследуемого материала. Соотношение между линейными размерами удовлетворяет предельному условию 1 к, 4 где- толщина одной пластинки- ее радиус. Площадь пластинки приблизительно равна площади плоского нагревателя. Нагреватель помещается между пластинками. Образованная таким образом система вносится в пространство между блоками и сжимается их плоскостями. Через блоки пропускается вода постоянной температуры. После выравнивания температуры по объему образца (это будет видно по графикам) включается нагреватель. Выбор величины мощности, подводимой к нагревателю, определяется допустимым температурным перепадом в образце, который должен составлять около 10 С. Если термическое сопротивление неизвестно даже ориентировочно, то нужная мощность подбирается опытным путем. После включения нагревателя избыточная температура начинает расти, достигая максимума в стационарном состоянии. Имея кривую изменения разности температур во времени, строится график зависимости (ст - ). В графическом представлении приведенная формула представляется прямой линией. Следовательно, зная ст и(значение разности температур в любой момент времени), можно построить прямую, по наклону которой находится темп изменения температуры , а значит, и температуропроводность 4 2(ст 1 )(ст 2 ) 4 222 . 4. Во втором способе симметричная система образцов из исследуемого материала располагается между блоками, через которые прокачивается вода из термостата (нагреватель отсутствует). Первоначально создается перепад температур 10 С относительно комнатной. Анализируя эволюцию температурного поля, регистрируемого на одном образце,в регулярном режиме рассчитывается искомый коэффициент. После достижения стационарного режима, соответствующего полному выравниванию температуры в образце, температура воды в термостате вновь изменяется на 10 С. Такое ступенчатое изменение температуры продолжается до достижения значения 90 С. По полученным графикамрассчитывается темп изменения температуры, а по нему - коэффициент температуропроводности и его зависимость от температуры. 71752011.04.30 5. Для определения коэффициента температуропроводности в чисто нестационарном режиме - начальной стадии развития температурного поля используется модель полуограниченного тела, для которого соотношение (1) должно быть больше 1. Но в нашем случае начальная стадия изменения температуры такая же, как и в полупространстве. Для того,чтобы определить комплекс теплофизических характеристик (тепло- и температуропроводность, тепловую активность) второй образец из исследуемого материала изготовляется составным. Термопары размещаются в плоскости нагревателя и на расстоянии 5 мм от него. В этом случае термостат не включается, а регистрируется изменение температуры в двух точках. Имея график зависимости н, т.е разность температур в плоскости нагревателя и на поверхности образца, строится график(н ), который представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с тангенсом угла наклона к оси абсцисс, равным,2 где- коэффициент тепловой активности образца. При введении коэффициента тепловой активности из зависимости 2 н(полученной из решения задачи теплопроводности)получаем формулу для расчета коэффициента тепловой активности 2 2 н Удельный тепловой потокрассчитывается по формуле 2 нВт / м 2 ,2 2 где , , н,- соответственно ток, напряжение, сопротивление и площадь одной стороны нагревателя. Наличие двух графиков зависимости нипозволяет определить коэффициент температуропроводности двумя способами по времени запаздывания (т.е. времени, в течение которого температура в сечениистанет такой же, как температура в плоскости нагревателя) и по отношению (н/х) в один и тот же момент времени. Определив коэффициент температуропроводности и тепловую активность, рассчитывается коэффициент теплопроводности. 6. Описанная выше конструкция позволяет определять коэффициент температуропроводности методом импульсного плоского источника. В этом случае график зависимости температуры от времени представляет собой кривую с экстремумом. Измерение максимального значения температуры и времени достижения этого максимума позволяет рассчитать коэффициент температуропроводности, используя соотношения, полученные при решении соответствующей задачи теплопроводности,2 где- время действия импульсного теплового источника. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение наглядности лабораторных экспериментов, точности результатов исследования и расширение функциональных возможностей. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.