Устройство для определения теплофизических параметров веществ

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУбЛИК 09) П) 3(51) С 01 )Ч 25/1 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) 1.филиппов П.И.,Тимофеев А.М.Методы определения теплофизическихсвойств твердых тел. ,Наука, 197с. 99,2.Пехович А.И.рЖидких В,М. Расчеты теплового режима твердых тел,ЛррЭнергия, 1976, с. 209-211, 270(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ , ТЕПЛОфИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЦЕСТВр включающее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерений, нагревательный элемент состоит из двух подключенных к импульсному источнику питания электродов в виде коаксиальных полых цилиндров, причем внешний электрод помещен в термостат, внутренняя поверхность внутреннего электрода покрыта теплоизоляцией, а датчик температуры расположен на его внешней э поверхности,Изобретение относится к устройствам для исследования теплофизических параметров веществ, в частности к геофизическим исследованиям проб .донных отложений, взятых грунтовыми трубками, скважинным геофизичесКим 5 исследованиям к лабораторным исследованиям на образцах.Известно уртройство для определе" ния теплофизических параметров веществ, включающее цилиндрический 10 зонд, внедряемый в исследуемый образец, и датчик температуры, измеряющий температуру зонда в процессе эксперимента 11 .Недостатком данного устройства 5 является малая начальная разность температур между зондом и исследуемым веществом и соответственно низкая точность определения теплофизи" ческих параметров.Наиболее близк(м к изобретению является устройство для определения теплофизических параметров веществ, включающее нагревательный элемент, . соединенный .с источником .питания, . и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного эле-. мента, Нагревательный элемент выполнен в виде спирали, через которую протекает электрический ток.от источника электрической энергии. Спираль З 0 находится внутри. цилиндрического .ме-. таллического зонда, поиещаемого.в исследуемую среду, на поверхности зон- . да расположен датчик температуры Прк протекании через спираль элек трического тока тепло распространяется в окружающую среду (2.Однако для измерения теплофизических свойств исследуемого вещест" ва в известном устройстве необходи" 40 мо нагреть достаточно большой объем вещества, что требует длительного времени и соответственно снижает производительность работ и увеличивает их стоимость. кроме того, при кзу"45 ченик влагонасыщенных сред длительный нагрев исследуемых образцов приводит к потере точности определения их теплофизических параметров вследствие того, что в условиях длительного нагрева во влагонасыщенных породах развиваются процессы массовлагопереноса, тем самым наруШаются условия, лежащке в самой основе метода определения теплофизических параметров55Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерений.Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения 60 теплофизических параметров, включающем нагревательный элемент,. соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента, последний состоит из двух подключенных к импульсному источнику питания электродов в виде коаксиальных полых цилиндров, причем внешний электрод помещен в термостат, внутренняя поверхность внутреннего электрода покрыта теплоизоляцией, а датчик температуры расположен на его внешней поверхности.На чертеже представлено предла- . гаемое устройство. ЭТ)ЪС - = Ъ ЬТ+ УЕ ЭФ где 5 3(, ЛА)Й ,Х.Ц- соответственно плотностьтока и напряженностьэлектрического поля)Х,- координаты точек образца;Ь - лапласиан.Если длительность 10 импульса электрического тока мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температуры по объему образца вследствие теплопроводности, то уравнение (1) распадается на два с - е 5 Е при Оа 41аТЭФрс -аьТ при 11ЗТЭЪо(3) Поскольку в предлагаемом устройстве имеет место радиальное распреСистема из двух электродов .1 и 2, представляющих коаксиальные полые цилиндры, подключена с помощью проводов 3 и ключа 4 к импульсному источнику питания 5, В рабочем состоянии образец б исследуемого вещества заполняет межэлектродйое пространство, датчик 7 температуры находит- ся на поверхности электродов 2, теплоизолкрованных с помощью прокладок 8, выполненныхиз талою(роля ционного материала, например.дена пласта. Электроды 1 термостатирова" ны путем помещения их в териостати-. рующее устройство 9 Исследуемый образец имеет теплопроводность Ъ температуропроводность М , удельную теплоеикость С, плотность.и электропроводность 6Устройство работает следующим образом.В иоиент 1 = О .ключ 4 замыкается, к в исследуемом образце б.начиндет, протекать ток. В,щщент 1:. ключ 4 размыкается, так что длительйость. импульса тока составляет 10 В ре.- зультате протекания тока происходит. нагрев образца, при этом, измечекие избыточной температуры Т образца описывается уравнениемделение электрического поля, т.е,все компоненты как электрического,так и температурного поля зависяттолько от расстояния г до оси цилиндра, то уравнение (2) в этом случае должно быть записано в виде где напряженность Е (г,Т) связана снапряжением импульсного источника0 (1) соотношением(б) Уравнение (3) для случая радиальной симметрии принимает вид Ъ д ЬТ ЭТгде ЧЧ 11 - электрическая энергия, выделившаясяза время 1 в цилиндрическом кольце, заполненном исследуе-;мым образом;Ь - радиус внешнего цилиндрического электродауа - радиус внутреннегоцилиндрическогоэлектрода;Ч:9 а , - объем внутреннейцилиндрической полостиЬ высота цилиндровеИзмерив температуру Т(а,1 Д на поверхности внутреннего цилиндра в момент окончания импульса тока, можно определить объемную теплоемкость ТгЯ).0 при г:Ь (8)Решая (4) с учетом (5) и (б),получаем Зная вес исследуемого образца, мож-но получить и значение удельной теплоемкости.Решая уравнение (7) с учетом гра"ничных условий (8), получаем Форму 5 лу для расчета теоретической кривойТТФ р 1, где Р Ь(а и Т г)а;Тгр) Тгр) /Та 1 Д 1 М 1-С,)агде х - коэффициент температуропроводности,10 Если проводить измерения температуры на стенке внутреннего цилиндрического электрода л = 1) , то теоретическая кривая Т ЛР 1 есть - функция только безразмерного времении постоянного для данного устройства параметра р . Следовательно, располагая теоретической кривой тр,сможно определить коэффициент температуропроводности следующим образом;определяются соответственно темтемпературы Т и Т по поверхностисферического электрода в моменты1 и 1 1)опо измеренному значению Т Т (1,0),теоретической кривой (для данногозначения р ) Т (1,1)Т (4)Та и времени 1, определяют абсциссу 1 точкина теоретической кривой, ординатакоторой Т 1,И По)определяют коэффициент температу 30 ропроводностиМ = 1,аЬЗная величины М и с , можно определить и коэффициент теплопровод-,ности= М рс,35 Принципиальный для предлагаемогоустройства является создание радиаль"но-симметричных электрического и тем"пературного полей, Отличие реальных полей от радиально-симметричных40 или плоских обусловлено конечной высотой цилиндрических электродов.Оценка степени этого отклоиения проведена расчетным путем по методуэлектростатических аналогий при анализе распределения поля в цилиндрических конденсаторах. Отличие поля отрадиально-симметричного не превышает 1 в случае, когда выполняетсяусловиеМ(ь-о) з 550 для оценки длительности нагреват.е. длительности импульса тока и величины избыточной температу- .ры, рассмотрим практически значившейслучай измерения свойств влагонасы 55 щенных илов: о = 4(Ом м) ф ; рс= 0,5 кал/см.град; электрический токпропускается через систему коаксиальных цилиндрических электродоввысотой . = 5 см с радиусами Ьа 2 смна 1 см, т.е, толщина образца Ъ-а =1 см, импульс тока реализуется,1 утем разряда конденсатора емкостью50 мкф, заряженного до напряжения100 В. Сопротивление,ци индрическо.65го образца равно= - Ьа)0,50 мЖЛ 6Заказ 8131/36 Тираж 822 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5 Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4 Тогда эффективная длительность тока1ЯЯС , за которую в среде выделяется 99.8 энергии Ф сц 2, составляет 7 мс. При этом температураа,) на поверхности внутреннегоэлектрода увеличивается на 0,05 С.Время измерения для определения коэффициента температуропроводности составляет в этих условиях 3-10 с,в то время как в известном устройстве 5-15 мин. Использование предлагаемого способа в сравнении с известныМ обеспечивает повышение точности и уменьшение времени наблюдений.