Способ определения теплопроводности материала

(5)5 6 5 18 ИЗОБРЕТЕН ИВУ длиной 1 вводят в исследуемый матернагревают источником тепла постоямощности И/. Измеряют пять величинператур О - бЬ зонда в моменты вре11 - и соответственно, причем величивыбирают из условия Ъ -11 к, где 1 - и1-1ковый номер момента времени, 1( = 12/11момента времени 15 - 1= 5, формируютметр Г в видеР = 1 8 - (21( + 2) О+ (4 + 1( + - )81-2 -1 иал и нной теммени ны 11 оряд. Для пара+ - ) 81 - з+ -2, 1 1 и повторяют из тур О в момент не выполнится величину А нахоерение величин темперавремени т до тех пор, покасловие Р = О, после чегоят в виде 2-М - )пав 1ионально изменению темопределяют величину 1 особе необходимо учитыски свойства зонда, велио сойротивления самойи теплдваго сопротивлеляции - исследуемый матеяя величина зависит от ых производится измере)едуемого материала,и моо изменяться от одного гому. Таким образом, учет тивления контакта иэоляматериал при практичекоторое пропорц пературы зонда,В данном сп ватьтеплофизиче чину тепловог электроизоляции ния контакта изо риал. Последн условий в котор ние, свойств исс жет значительн измерения к дру теплового сопро ция-исследуемыи ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1318885, кл. 6 01 М 25/18, 1987,Методы определения теплопроводности и температуропроводности. Под ред,А. В Лыкова, - М.: Энергия, 1973, с, 162-163.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛА(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дляопределения величины коэффициента теплопроводности грунтов, почв, сыпучих веществ и т.д. Цель изобретения - повышениепроизводительности способа путем уменьшения времени испытаний при сохранениизаданной точности. Цилиндрический зонд Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения величины теплопроводности А грунтов, почв, сыпучих веществ и теплоизоляционных материалов,Известен способ определения теплопроводности материалов, при котором цилиндрический зонд, выполняемый в виде металлической проволоки, погружают в материал, нагревают электрическим током и измеряют изменение электрического сопротивления проволоки между двумя моментами времени - 11 и 12. По изменению электрического сопротивления проволоки,+) в(+е)ц-а+ ю-з)ской реализации способа затруднен, что снижает точность определения.Наиболее близким техническим решением является способ определения величины Я, при котором цилиндрический зонд 5 погружают в исследуемый материал, нагревают зонд источником тепла постоянной мощности, измеряют температуры 9 и 92 зонда в моменты времени 11 и 12 соответственно, где т 2 11, а величину Л определя ют по формуле Ю 1 Ц 1 гИ4 к . 6 - О(1)15 где Иl - мощность источника тепла, Вт;1 - длина зонда, м;И, 9 - величины избыточной т.емпературы зонда в моменты времени 12 и 11 соответственно, С. (2)20В способе (2) для аппроксимации реальной зависимости О (т) используется выражение 0(с) =А 1 пт+ В.Если величины т 1 и с 2 малы, то аппроксимация реальной зависимости 0(т) этимвыражением неправомерна, поэтому точность определения величины А с использованием выражения (1) существенно снижаетсяпри уменьшении времени измерения. Такимобразом, способ (2), включающий в себя измерение температуры в два момента времени, не позволяет произвольно снижатьвремя измерения (без существенного увеличения погрешности измерения Я), что определяет его низкую производительность.Цель изобретения - повышение производительности способа путем уменьшениявремени испытаний при сохранении заданной точности,На чертеже представлена структурнаясхема устройства, реализующего предлагаемый способ.Устройство содержит последовательносоединенные блок 1 питания нагревателя,цилиндрический зонд 2 и усилитель 3. Устройство содержит также магистраль 4, с помощью которой соединены между собойинтерфейс 5, микроЭВМ б, аналого-цифровой преобразователь 7 (АЦП) и программируемый таймер 8. Выход интерфейса 5подключен к управляющему входу блока 1питания нагревателя, а выход усилителя 3подключен ко входу преобразователя 7,В одном из возможных вариантов цилиндрический зонд 2 содержит (не показано) стержень, нагреватель - константоваяпроволока, намотанная на стержень, йтермопару. Стержень с расположенными нанем нагревателем и термопарой при необходимости защищаются экраном. Блок 1 питания подключается к нагревателю, а сигнал с термопары через усилитель 3 поступает на выход АЦП, Диаметр зонда б и его длина 1 выбираются из условия 1/г 130, а термопара расположена на расстоянии 1/2 от конца стержня,Способ осуществляют следующим образом.Цилиндрический зонд. первоначальная температура которого должна быть равна температуре исследуемого материала, вводят в исследуемый материал, после чего зонд нагревают источником тепла постоянной мощности, равномерно распределенным по длине зонда. Условно примем, что в момент начала нагрева зонда время т = О,Для больших значений времени зависимость величины температуры О от времени 1 имеет видО (т) = А 1 п т + В + - (с 1 и ) + О),(2) 1ЧЧ4 1 АВ, С, О - коэффициенты. величины которых зависят от геометрических и теплофизических характеристик зонда и материала;ЧЧ - мощность источника тепла, Вт;1 - длина зонда, М;О - температура зонда, Со;1 - коэффициент теплопроводности материала, Вт/М С 1.Для малых величин 1 выражение (2) несправедливо, в частности, при т -+О величины 1 и т, (1 и 1)/т неограниченно возрастают,Для малых значений времени зависимость 0(т) точно описывается с помощью сложных выражений с использованием Бесселевых функций, что не позволяет получить точное выражение для нахождения величины А в явном виде для малых значений 1.Таким образом, весь интервал времени т = О; + со) можно условно разбить на три интервала.На первом интервале т = О - д) зависимость 0(с) описывается сложными аналитическими выражениями, что практически исключает возможность использования этого интервала для определения величины А,На втором интервале времени т =тд - св) зависимость 0(т) описывается с заданной точностью выражением (2).На третьем интервале временитв зависимость О(т) описывается с заданной точностью выражением, приведенным в (2).В предлагаемом способе в отличие ат прототипа, в котором используется третий10 15 20 25 ЗО 35 40 4 Г 50 55 Я 2 (2-3 - ) (с 3 и 15+О)+(-4+33+ - ) (с 3 и 3)г115 интервал времени, для определения А используется второй интервал, что позволяет уменьшить время измерения и следовательно повысить производительность способа. Для того, чтобы измеренные величины температур О были получены на нужном интервале времени, необходимо знать заранее границы интервалов А и св. Границы интервалов(применимость того или иного выражения для аппроксимации реальной зависимости 0(т) зависят от величины А, от величины коэффициента температуропроводности, от величины теплового сопротивления, и других параметров, значения которых заранее неизвестны, поэтому в общем случае заранее точно знать границы интервалов невозможно.В то же время, для получения максимальной производительности способа нужно измерять величины О на начальном участке второго интервала, т.е, как можно ближе к А, величина которой в каждом конкретном измерении 3, неизвестна.Поэтому в описываемом способе, используя величины температур О, вычисляют периметр Еь который бы позволил определить, совпадает ли реальная зависимость (ф) с зависимостью, описываемой выражением (2) (второй интервал времени) и только после совпадения этих зэаисимостей определять величинуХ .Параметр Е 3 формируется следующим образом, Производятся измерения пяти величин температур 01, О 2,6 Ь, Р 4 и 6 Ъ зонда в моменты времени 1, 12, 3, и и 15 соответственно, причем величины т 1, 12, ,3, И и Ь выбирают из условийО 3=О (3)где 3 = С 2 Й 1;3 - порядковый номер момента времени.Величину 3 рекомендуется выбирать равной 3 =1,05 - 1,3, Если моменты времени 11 - 15 находятся на втором интервале, т.е. справедливо выражение (2), то 1 учитывая тождества 3 и(1/3) = 3 ие - 3 и 3, и(3) = 3 3 п 3 и равенство (3), имеем05=А 3 и 15+В+1 Й 5 (с 3 ит 5+О)04=А( и 15 и 3)+ В+3 Й 5(с(3 и 15-3 и 3)+О)03=А(3 и 15-2 и)+В+3 /с 5(с(3 ис 5-2 и)+О) (4) 02=А(3 М 5-3 и)+В+3 Й 5(с(3 ис 5-33 и 3)+О 01=А(3 ит 5-4 и)+В+3 /т 5(с(3 иии)+О)Используя (4), найдем величины Я 1=(202-01-03)/3: Я 2=203 02 04 и ЯЗ=(204-03-05) 3:Я 1= (2-3 - ) (сис 5+О)+(-6+43+ - ) (с 3 и 3 ЯР 1 215 32Яз (2-3 - ) (сит 5+О)+2+23) (с 3 и 3 (5) 15 3Если для момента времени с= 15(3 =5) сигналЕ 3 сформировать в видеЕБ=2 Я 2-Я 1-Я 3=2(2 3-Ь - 6-Й 1) -(2(:Ь 4 Э 14-Ъ)/3(И 1(6)то Е 5 = О, если выражение (2) правильно описывает реальную зависимость 0(т), так как при подстановке (5) в (6) происходят сокращения всех членов выражения (6) (получается Е 5 = О), а выражения (5) получены, исходя иэ справедливости выражения (2),Таким образом, если для величин 91- бЪ выполняется условие Е 5 = О, то зто означает, что О, 12, 3, т 4, 15 находятся на втором интервале времени. Для 3-го момента времени параметр Е 3 (35) аналогично выражению (6) формируют в следующем виде:Е 1=3 О-(23+21 О+(4+3+ - ) 0-2-(2+ - ) О+1 2(71Если 4-4 1 ьз ЪТь 1, 1 или хотя бы 13-4 находится нэ первом интервале времени, то Е 3.= О, тэк как для сложных аналитических выражений, описывающих зависимость О на первом интервале, не будут споэведливы тождества, верные голько для логарифмических функций: 3 и(/3) = 3 п 1 - 3 и 3, 3 и(33) = 3 и, Практическая проверка способа показала, что для первого интервала времени Е 3О, причем с увеличением времени 1, с увеличениемвеличина Е 3 уменьшается, а при 1тд Е 3.= О, что позволяет использовать величину сигнала Е 3 для определения совпадения реальной зависимости О и зависимости, описываемой выражением (2). Если условие Г 5 = 0 не выполняется, то производится шестое измерение величины перегрева 68 в мсмЕнт врЕмЕни т 5 = т 1-3 =т 13,1 5 находится величина параметра Г 5 и проверяется выполнение условия Еб = О.Новые измерения величины О в моменты времени в 3 производят до тех пор, пока не выполнится с заданной точностью условиеЕ 3.= О. (8) Чем точнее выполняется равенство (8), тем точнее реальная зависимость 0 аппроксимируется выражением(2). После того. какдля 1-го момента времени выполнилось условие (8). находят величину Л, используя четыре последних полученных величины температур О, 9-), О-г,О-з зонда. значения которых с учетом справедливости выражения 2 Г) =0 б т авны(9) Используя (9), найдем следующие величины 2 О-гО-О-з/1 с=(Апт+В) (2-М-, - )+ 11((12) Величину 11 рекомендуется выбирать такой, чтобы заведомо выполнялось условие т)Стд, что позволяет измерить величину д на начальном участке второго интервала. В противном случае (1) 1 д) величина Абудет найдена сразу после первых пяти измерений 8)(ГБ= О), однако величины т 1, 1 г, тз, 14 и т 5 будут большими и будут находиться не в начале второго интервала, что снизит производительность способа,Нужное значение 1 можно также найти и практическим путем без знания величины 1 д. Для этого нужно провести несколько пробных измерений д и, изменяя величину 1), добиться, чтобы равенство (8) выполнялось при 1= 8-12.Использование изобретения позволяет 5 повысить производительность способа итем самым снизить затраты на проведение испытаний.Формула изобретения Способ определения теплопроводности 10 материала, включающий введение цилиндрического зонда в исследуемый материал, нагрев зонда источником тепла постоянной мощности и измерение температуры зонда 9 и 6 Ъ в два момента времени 1) и 1 г с 15 последующим вычислением искомой характеристики, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности способа путем уменьшения времени испытаний при сохранении заданной точности, допол нительно измеряют температуры бЬ, И и8 зонда в моменты времени 1 з, М и 1 в. которые выбирают из условия Ъ = с) К", где К = =1 г/1),1 - порядковый номер момента времени измерения температуры, для момента 1 в 25 вычисляют величину параметра Р) видаГ) =6-(21+ 2) О-)+(4+ + - )О.г - (2+12 1+ - ) О - 3+ - О - 4измеряют температуру зонда в последующие моменты времени выбранные из условия 1) = й К до выполнения условия Р) =О, 35 а искомую характеристику вычисляют, используя последние четыре значения температуры О зонда по формулей 1 г ) ы140 11 )в+1+")в "+) ф+з)адГ 1где ЧЧ - мощность источника тепла зонда;1 - длина зонда,45Заказ 3255 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5