Устройство для определения теплопроводности материалов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ЯО 1073 З(500 01 И 2 ък"МКМ се.г1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ена ТрудовогоологоразведочныйОрджоникидзе ус ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Московский ордКрасного Знамени геинститут им. Серго(56) 1.Курепин В,В Вегункова А.Д.Сравнительный метод измерения теплопроводности. - Инженерно-физическийжурнал, том 29, М 4, с. 618.2. Любимова Е.А Масленников А.И., Смирнова Е.В., Юрчак Р.П.Изучение теплофизических свойствпород при нормальных и повышенныхР и Т. Труды Всесоюзной конференции"Народнохозяйственные и методические проблемы геотермии". Махачкала,1979, т. 2, с. 114,3. Попов Ю.А. Некоторые особенности применения активного тепловгометода контроля. - "Дефектоскопия",1975, Р 2, с, 56 (прототип).(54)(57) УСТРОИСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, соДеРжашее соединенные последовательноподвижную платформу и привод платформы, сосредоточенный источник тепловой энергии, радиометр и аналоговый регистратор, входом подключенный к выходу радиометра, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности устройства и точности определения тепло" проводности, в него введены второй радиометр, выходом подключенный к второму входу аналогового регистратОра, эталонный образец с известной теплопроводностью, закрепленный на подвижной платформе, два датчика- ограничителя перемещения платформы, три триггера, элемент ИЛИ и ши", на "Пуск", причем первый вход привода платформы подключен к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен е выходом первого датчика -ограничителя, нуле- щС вым входом второго триггера и первым входом элемента ИЛИ, второй вход привода платформы подключен к единичному выходу второго триггера, единичный вход которого соединен с выходом второго датчика-ограничителя, нулевым входом первого тригге- ра и вторым .входом элемента ИЛИ, а третий вход привода платформы под- ( ключен к управляющему входу аналогового регистратора и единичному выходу третьего триггера, единич- фф ный,вход которого подключен к шине ю "Пуск", а нулевой вход - к выходу элемента ИЛИ.Изобретение относится к технической физике и может быть использованопри определении теплопровадностиматериалов, в том числе горных породИзвестно устройство для определения теплопроводности материалов,содержащее два приводимых в тепловойконтакт измерительных блока, в одномиз которых размещен электрическийнагреватель, а в другом - тепломер, 1 Осостоящий из контактной медной пластины, в которой монтируются термо пара и спаи термобатареи, и рабочегослоя, а также защитные теплоизалирующие оболочки, гальванометр и термометр Г 13Недостатками этого устройства являются низкая точность определения теплоправоднасти высокатеплопровадныхобразцов и образцов горных пород, длякоторых характерны значительная тре. -щиноватость, пористость, зернистость,из-за влияния контактного тепловогосопротивления исследуемых тел на результаты измерений 2 3 , а также низкая производительность вследствиебольшой продолжительности процессаодного измерения, составляющей единицы минут,Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности и достигаемо-ЗОму результату является устройство дляопределения теплопроводности материалов, содержащее соединенные последовательно подвижную платФорму и приводплатформы, сосредоточенный источник 35тепловой энергии, радиометр и аналоговый регистратор, входом подключенныйк выходу радиометра,31,Недостатками известного устройства являются низкая производительность, 4 Ообусловленная тем, что устройствопозволяет определять избыточные температуры нагреваемых поверхностей исследуемых образцов, необходимые для,определения их геплоправадности,лишьв результате двукратного процессаперемещения платформы с образцамиотносительно радиометра (сначала с выключенным источником энергии, а затем с включенным), а также низкаяточность, обусловленная тем, чта устройство из-за отсутствия в нем эталонного образца с известной теплапроводностью позволяет проводить лишькачественную оценку теплоправадностиисследуемых образцов, не обеспечиваявозможности получения количественныхзначений теплопроводности.Цель изобретения - повышение производительности устройства и точности определения теплопроводности мате риалов,Поставленная цель достигается тем,что в устройство для определения .теплопроводности материалов, содержащеесоединенные последовательно подвижную65 платформу и привод платформы, сосредоточенный источник тепловой энергии,радиометр и аналоговый регистратор,введены второй радиаметр, выходомподключенный к второму входу аналогового регистратора, эталонный абра.зец с известной теплоправаднастью,закрепленный на подвижной платформе, два датчика-ограничителя перемещения платформы, три триггера,элемент ИЛИ и шина "Пуск", причемпервый вход привода платФормы подключен к единичному выходу первоготриггера, единичный вход которогосоединен с выходом первого датчикаограничителя, нулевым входом второготриггера и первым входом элемента ИЛИ, второй вход привода платформы подключен к единичному выходувторого триггера, единичный входкоторого соединен с выходом второгодатчика - ограничителя, нулевым входомпервого триггера и вторым входомэлемента ИЛИ, а третий вход приводаплатформы подключен к управляющемувходу аналогового регистратора и еди.ничному выходу третьего триггера,единичный вход которого подключенк шине "Пуск", а нулевой вход - квыходУ элементаИЛИ.На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.Устройство для определения теплоправоднасти твердых тел содержитподвижную платформу 1 с закрепленным на ней эталонным образцом,2 сизвестной теплоправадиастью, привод 3 платформы, сосредоточенныйисточник 4 тепловой энергии, радиометры 5 и б, аналоговый регистратор 7, датчики-ограничители 8 и 9перемещения платформы, триггеры 10,11 и 12, элемент ИЛИ 13 и шину"Пуск" 14,Платформа 1 с закрепленным наней эталонным образцам 2 механически связана с приводом 3, Первыйвход привода платформы соединен сединичным выходом триггера 10, Единичный вход триггера 10 подключенк выходу датчика-ограничителя 8перемещения платформы, нулевому входу триггера 12 и первому входу элемента ИЛИ 13. Второй вход привода 3соединен с единичным выходом триггера 12, Единичный вход триггера 12подключен к выходу датчика-ограничителя 9, нулевому входу триггера 10 и второму входу элемента ИЛИ 13.Третий вход привода 3 соединен суправляющим входом аналогового регистратора 7 и единичным выходомтриггера 11, единичный вход которога подключен к шине "Пуск" 14, анулевой вход - к выходу элемента ИЛИ 13, Выход радиаметра 5 подключен к первому входу аналоговогорегистратора 7, а выход радиометра б - к второму входу аналоговогорегистратора 7,Исследуемые образцы 15-1, 15-2,15-и располагают на платформе 1 последовательно с эталонным образцом 2. Эталонный и исследуемыеобразцы уотанавливают так, чтобыих рабочие поверхности были перпендикулярны оптическим осям сосредоточенного источника 4,и радиометров 5 и б, Сосредоточенный источник 4 и радиметры 5 и б, устанавливаются таким образом, чтобы нагревэталонного и исследуемых образцови регистрация температуры их рабочих поверхностей происходили по одной прямой.Для установки устройства в исходное состояние платформа 1 с расположенными на ней образцами приводитсяв контакт с одним из датчиков-ограничителей перемещения платформы, например, с датчиком-ограничителем 8.При этом на выходе указанного датчика появляется сигнал, которым триггер 10 устанавливается в единичноесостояние, а триггеры 11 и 12 - внулевое. Единичный сигнал с выходатриггера 10, поступая на первыйвход привода 3, переводит приводв режим перемещения платформы 1 внаправлении от датчика 8 к датчику 9. Нулевой сигнал с выхода триг-гера 11, поступая на третий входпривода 3, запрещает перемещениеплатформы 1 и, поступая на управляющий вход аналогового регистратора 7,обеспечивает выключенное состояниеего лентопротяжного. механизма (илиустройства развертки).При поступлении запускающего сиг Онала на шину "Пуск" 14 триггер 11переключается в единичное состояние.Единичный сигнал с его выходй, поступая на третий вход привода 3, разрешает перемещение платформы 1 собразцами, она начинает равномерноперемещаться относительно сосредоточенного источника 4 и радиометров 5 и б по направлению к датчикуограничителю 9. Кроме того, единичный сигнал с выхода триггера 11, поступая на управляющий вход аналогово,го регистратора 7, включает еголентопротяжный механизм (устройстворазвертки). При перемещении платформы 1 радиометр 5 последовательнорегистрирует температуру рабочихповерхностей ненагретых эталонного 2и исследуемых 15-1, 15-2, .., 15-иобразцов, а радиометр б регистрирует температуру рабочих поверхностей 60рассматриваемых тел их нагрева сосредоточенным источником 4 тепловойэнергииВыходные сигналы радиометра 5,уровни которых пропорциональны тем пературам рабочих поверхностей не-нагретых образцов, т.е. их начальным температурам, регистрируются наносителе информации аналогового регистратора 7 в первом канале, а вы-.ходные сигналы радиометра б, уровникоторых пропорциональны температурамрабочих поверхностей нагретых образцов - во втором канале.При достижении платформой 1 датчика-ограничителя 9 (это происходитпосле того, как последний из серииисследуемых образцов выйдет из полязрения радиометра б ) на его выходепоявляется сигнал, которым триггер 12устанавливается в единичное состояние, а триггеры 10 и 11 - в нулевое.Единичный сигнал с выхода триггера 12, поступая на второй вход привода 3, переводит привод в режим перемещения платформы 1 от датчика 9к датчику 8. Нулевой сигнал с выходатриггера 11, поступая на третийвход привода 3, запрещает перемещение платформы 1 и, поступая на управляющий вход аналогового регистратора 7, вы:.лючает его лентопротяжныймеханизм (устройство развертки), прекращая перемещения носителя информации.После установки на платформу 1новой серии исследуемых образцовустройство готово к следующему процессу измерений. В этом случае припоступлении заг,екающего сигналана шину "Пуск" 14 перемещение платФормы 1 с образцами происходит понаправлению к датчику-ограничителю 8, причем радиометр б регистрирует начальные температуры рабочихповерхностей образцов, а радиометр 5 температуры этих поверхностей послеих нагрева сосредоточенным источником 4 тепловой энергии,По окончании каждого процессаизмерений на носителе информациианалогового регистратора (например,на диаграммной ленте ) будут зарегистрированы две последовательности сигналов, одна из которых соответствует начальным температурамрабочих поверхностей установленныхна подвижной платформе образцов,а другая - их температурам посленагрева. Для каждого из исследуемых образцов и эталонного образцаразность уровней сигналов, соответствующих нагретому и ненагретому сос.тояниям, пропорциональна избыточной температуре рабочей поверхности образца.Известно, что для описанного режима нагрева образцов и регистрации температуры их рабочих поверх"ностей справедливаформулаЭТаЕР Эт 8сбР1073 ббб Составитель В.,БитюковРедактор Л.Алексеенко Техред О,НецеКорректор Л,Зимокосов Заказ 320/42 Тираж 823 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035,.Москва, Ж, Раушскэя наб., д 4/5юФфф Филиал ППП "ПатеНт", г,ужгород, ул,Проектная, 4 где Ло, Л " коэФФициенты теплопроводности соответственно исследуемогои эталонного образцовВд,д - избыточные температуры рабочих поверхностей соответственно исследуемого и эталонного образцов.Таким образом, предложенное устройство путем определения избыточных температур рабочих поверхностейисследуемых образцов 15-1, 15-215-и и эталонного образца 2.позволяет, используя указанную формулу, определить теплопроводностькаждого из исследуемых обраэцов,Предложенное устройство по срав-нению с устройством-прототидм обладает вдвое большей производительностью, позволяя определять избыточные температуры образцов при однократном перемещении платформы относительно радиометров, а также большей точностью, поскольку наличиев составе устройства эталонного об.разца с известной теплопроводностьюпозволяет получать количественныезначения теплопроводности исследуемых образцов,В лабораторном макете предложенного устройства в качестве сосредоточенного источника тепловой энергии испОльзовался лазер типа ИЛГН 705. Площадь пятна нагрева не превышала 3 мм . В качестве бесконтакт-,ных измерителей температуры поверхностей образцов использовались лабораторные рэдиометры, имеющие спектральный диапазон 2-20 мкм и разрешающую способность по температуре0,1 К, Размеры площадки, с которойрадиаметры воспринимали тепловоеизлучение, 1 мм . В приводе платфор 2мы использовался электродвигательпостоянного тока, Изменение режимаработы привода осуществлялось коммутацией напряжения питания электродвигателя.15 Случайная погрешность измерений коэффициента теплопроводности исследуемых сбразцов в диапазоне 1 15 Вт/м К не превышала 2-3, Для выравнивания иэлучательной способности исследуемых образцов на рабочую поверхность каждого образца наносилось специальное покрытие, имеющее коэффициент излучения близкий к единице толщиной 10-20 мкм, При изменении качества обработки поверхности образца от полированной поверхности до шероховатой со средне- квадратическим значением шероховатости 1 мм результаты измерений коэффициента теплопроводности не выходили эа пределы случайной погрешности,