Устройство для определения теплофизических параметров веществ

СОЮЗ СОВЕТСКИХсссюсСссиии иссиРЕСПУБЛИН ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ЯДЪсииисс с Ь й АВТО СВИДЕТЕЛ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРии сии си иисиссииис и ииисииии(56) 1. Янкелев Л.Ф, Зонд для массовых определений термических коэффициентов беэ отбора проб;-"Заводская лаборатория", 1955. 1 5, с,60-612.2. Любимова Е.В., Никитин. В.Н., Томара Г,А. Тепловые поля внутренних и окраинных морей СССР, "Наука", 1976, с.20-22 (прототин).3. Справочник геофизика, Т,Ч 1. Электрораэведка."Недра", 1980, с.25. ЯО 1122954 А(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ,содержащее нагревательный элемент,соединенный с источником питания,и датчик температуры, расположенныйна нагревательном элементе, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюуменьшения времени измерений и повышения точности, нагревательный элемент выполнен в виде двух электродовсоединенных с импульсным источникомпитания, при .этом датчик температуры расположен на поверхности одного из электродов, выполненного вформе полой сферы из электро- и теплпроводящего материала.1 1Изобретение относится к исследованию теплофизических параметров,в частности к геофизическим исследованиям на акваториях с целью определения физических характеристикдонных осадков, при этом определяемыми параметрами являются коэффициенты температуропроводности,объемная теплоемкость и коэффициент теплопроводности,Известно устройство для определения теплофизических параметров ве.ществ при исследованиях на акваториях, состоящее иэ цилиндрическогоизотермического зонда, внедряемогов исследуемую, среду, идатчика температуры, фиксирующего изменениетемпературы зонда в среде 111,Недостатком данного .устройстваявляется отсутствие активного нагревательного элемента, позволяющегосоздавать необходимую для точныхизмерений регулируемую раэность температур среды и зонда. Этот недостаток особенно существенен при ис-.следовании свойств придонных грунтовна акваториях. В этом случае начальная температура зонда равна температуре придонного слоя воды. Следствием этого является малая начальнаяразность температур зонда и среды исоответственно низкая точность определения теплофизических параметров,Наиболее близким к изобретениюявляется устройство для определения.теплофизических параметров веществ,включающее нагревательный элемент,соединенный с источником питания,и датчик температуры, расположенныйна поверхности нагревательного элемента,Нагревательный элемент выполненв виде спирали, через которую протекает электрический ток от источникаэлектрической энергии. Спираль находится внутри цилиндрического металлического зонда, помещаемого в исследуемую среду, на поверхности зондарасположен датчик температуры. Припротекании через спираль электрического тока тепло распространяется вокружающую среду. Для измерения теплофиэических свойств необходимо нагреть достаточно большой объем среды таким образом, чтобы температураего значительно отличалась от первоначальной 12.Недостатком известного устройстваявляется то, что при излучении вла 122954 10 30 15 20 .25 40 45 50 гонасыщенных сред, какими являютсяв большинстве случаев придонные отложения, длительный нагрев исследуемых сред, который необходим для нормальной работы известного устройства,приводит к потере точности определения их теплофизических параметров.Это связано с тем, что в условиях длительного нагрева во влагонасыщенныхсредах равиваются процессы массовлагопереноса, тем самым нарушаются условия, лежащие в основе самого метода определения теплофиэических свойствЦелью изобретения является уменьшение времени измерений и повышениеих точности.Указанная цель достигается тем,что в устройстве для определениятеплофизических параметров, содержащем нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный наповерхности нагревательного элементапоследний выполнен в виде двух электродов, соединенных с импульсным источником питания, при этом датчиктемпературы расположен на поверхности одного из электродов, выполненного в форме полой сферы из электрон теплопроводящего материала.При пропускании импульсного электрического тока через электрсды осу.ществляется практически мгновенныйнагрев исследуемой среды и, следовательно, сокращается время эксперимента и повышается его точностьНЙ чертеже изображено предлагаемое устройство,Система из двух электродов, одиниз которых представляет собой полуюэлектро- и теплопроводящую сферу 1радиуса, а второй - электрод произвольной формы 2, подключена с помощью проводов 3 и ключа 4 к импульсному источнику тока 5. В рабочем положении оба электрода помещены висследуемую среду 6, имеющую теплопроводность Ъ , температуропроводность Х , удельную теплоемкость С;плотность 11 и электропроводность бДатчик температуры 7 расположен навнешней поверхности электрода 1.Устройство работает следующим образом.В момент 1 =О ключ 4 замыкается,и в исследуемой среде начинает протекать ток; в момент=ключ 4 размыкается, так что длительность импульса тока составляет 1 о,(х ЕЛ) где,1и Е =Е(х,д,Ц- плотность тока и на 0пряженность электрического полясоответственно,1Е - координаты Фочексреды,- лапласиан.15В предлагаемом устройстве одиниз электродов является полой сферой, а второй имеет площадь поверх. ности, намного превосходящую площадьсферического электрода. В случае,20когда он удален от сферического электрОда на расстояние, намного превос"ходящее его радиус д , задача сводится к нагреву среды при стеканиитока с одиночного сферического элек 25трода.Уравнение (1) соответственнопримет вид фН 1/с = (8) ЗЧТ(а,101 3 В результате протекания тока происходит нагрев среды, при этом изменение избыточной температуры Т среды описывается уравнениемгдеФЦ)- электрическая энергия, выделившаяся за время то протекания импульсного электрического тока, 4 , 57= - -па"3 Измеряя температуру Т(а,1 а на поверхности сферического электрода, можно определить объемную теплоемкость исследуемой среды Из уравнения (7), решая его стан-. дартным методом разделения переменных и вводя безразмерные параметры, получим на границе сферического электрода Г(6,)=Т 1 Я=-2: Ве " б 1 има 1, (9)(5) где.Ц- разность потенциалов междуэлектродами,Если длительность 1 импульса электрического тока мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температуры по Объему среды вследствие теплопроводности, то уравнение (2) распадается на дваРс - =Е, пРи О 1 -1 о(6)ат 50 где Р - координата точек среды, т.е. ее расстояние до центра сферического электрода,= 1(г,1),Е =Г (о,ОДля уравнения (,2) имеет место 35 следующее граничное условие- :О при г =О, (31ЭтаКроме того, поскольку длительность протекания тока ограничена, то спра ведливо выражениеТ(Ъ,Ы О при= Ъ -ф со (4)Плотность тока, стекающего со сферического электрода, равна45, МЧгдег=га;С=Ь-а)/аф =ЖЬ 01/а 7 2 Е з 1 пжа Цх бйъ 2 - Ох- безраз 1+со иа Е +с х)омерные коэффициенты, К - величина, определяемая из уравнения иа ф(Ь-цЭ Таким образом, нормированная температура Т(,1 Я , измеренная на границе. нагреваемого сферического электрода, есть функция безразмерного времени 1 и некоторого произвольного парамет ра 1 =(,Ъ-ц)/а . Поскольку температура при г)а падает очень быстро, то избыточная температура Т практически равна нулю при любых. Следовательно, располагая теоретической кривой Т(1, , можно определить коэффициент температуропроводности следующим образом:а) определяются температуры наповерхности сферического электродав моменты 1 =10 и х, = 1,т - соот.ветственно То и Т 4,2954 0 15 20 25 30 35112б) по измеренному значению Т =о=Т 1,01, теоретической кривойТ(1 Д)=Т-(1,1) Т, и времени определяют абсциссцточки на теоретической кривой, ордината которой естьТ(11/ То,в) определяют коэффициент температуропроводностим: сР/,Зная величины Ж и с можно определить и коэффициент теплопроводности 3 =Яс.Принципиальным для данного устройства является создание сферическисимметричного электрического поля,что достигается не только выборомосновного измерительного электродав виде сферы, на и в отнесении второго электрода "бесконечность" . Дляоценки величины необходимых межэйектродных расстояний воспользуемся вы"ражением для потенциала сферического электрода, помещенного в средус удельным электрическим сопротивлением 3 (3),0 =иоегде 0 - потенциан в среде на расстоянии г от сферического электродао1. - потенциал на поверхностисферического электрода,имеющего радиус б .11 - ток, протекающий черезэлектрод,Таким образом, электрическое поле, создаваемое при протекании через сферический электрод тока и рас 4пространения его в среде, являетсясферически симметричным, следовательно, сферически симметричным является и распределение тмпературно- .го поля в соответствии с уравнением.Если же на расстоянии 5 от сфе"рического электрода расположен второй электрод сферической формы с темже радиусом Я, то сферическая симметрия электрического и температурного поля нарушается, поскольку потенциал электрического поля на расстоянии от первого электрода равен когда г = О, отличие поля ОП) отсферического не будет превышать 107,если межэлектрическое расстояние 5 оставляет не менее 10 радиусов Я электрода. Полученную оценку можно обобщить на случай, когда второй электрод имеет произвольную форму (сфера, плоскость, диск, цилиндр) .Далее важно выбрать соотношение размеров электродов таким, чтобыосновная часть электрической энергии импульса И(1 о выделялась вблизи основного, сферического электрода. Так как доля выделяемой электрической энергии пропорциональна сопротивлению заземления электродов,а эти сопротивления, в свою очередьобратно пропорциональны площади новерхности, то при условии пятипроцентной потери электрической энергии площадь 9 лектрода произвольной формы должна не менее чем в 20 раз превышать площадь основного сферического электрода.Длительность нагрева 1 о и величина избыточной температуры могут быть оценены из следущих соображений: измерительный электрод с радиусом ч =0,5 см помещен в морские илы с б =4(Ом м 1 ,с=0,5 кал/см град; электрический ток через электроды пропускается путем разряда конденсатора емкостью С=40 мкф, заряжен" ного до напряжения Оо =1 ООВ сопротивление заземления 11 =50 Ом. Тог да эффективная длительность тока о =39 С, за которую в среде выделяется 99,87 энергии Ъ=С О, /2, составит 6 мс, При этом температура Т(о,о) на поверхности электрода увеличится иа 0,09 С. При уменьшеЬнии Ц до 0,4 см время 1 б увеличится до 8 мс, а скачок температуры - доо0,18 С. За время т, прогревается шаровои слой толщиной 2,2 Я , причем, на внешней границе слоя температура составит 0,01 Т (алло) . Время измерения для определения коэффициента температуропроводности составит в этих условиях 3-10 с, в то время как для прототипа время измерений составляет 5-15 мин.Из равентста (10) видно,что приизмерении на поверхности электрода,55 Использование данного устройствав сравнении с прототипом обеспечивает повышение точности и уменьшение времени наблюдений за счет выполнения. Корректор А. Зимокосов Заказ 8981 .Тираж 822ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб.д. 4/5 Подписное филиал ППП "Патент", г,ужгород,. ул.Проектная, 4 нагревательного элемента из двухэлектродов, один из которых - полаясфера электротеплопроводящего материала, а также за счет пропусканиячерез электроды импульсного электрического тока.