Устройство для определения теплопроводности твердых материалов

ОП ИКАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯМ АВТОе СИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоввтсииаСоциапистичесиикреспубиии(61) Дополиительиве к авт, свид-ву(22)Заявлено 12.6 б.80 (21) 2930109/18-2с присоедииеииеее заяви М(23) Приоритет М 25/18 удерстеанвй кемитет СССР делам нзаеретенн н открытнй(72) Авторы изобретения ксЙ ССР"Щ ической .теплофизики АН Украинс нститут витель 5 Й) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к теплофизи- ческим измерениям и может быть ис пользовано для определения коэффициентов теплопроводности твердых материалов и изделий, включая микро- объекты.Известно устройство для определе-. ния коэффициента теплопроводности материалов, содержащее нагреватель и расположенные по обе стороны от него пакеты, собраннь 1 е из пластин исследуемого материала и металлических пластин с термопарами, причем в каж;, дом пакете помещено па две пластины исследуемого материала неравной тол-, щины, которые расположены несимметрично относительно нагревателя, а толстые и тонкие пластины разных пакетов попарно равны между собой по толщине. Если предположить, что термические сопротивления и перепады температур для обоих пакетов одинаковы, то величина теплового потока, проходяцего через пакеты, будет равДекуша, О, А. Геращенко,и В. И. ЫдповаловЛ на половине моцности подведенной к1 нагревателю, а разность температур,измеренная термопарами в металличес" , ких пластинках, будет соответствовать перепаду температур на слоеисследуемого материала равному разности между толщинами пластин каждого пакета 11 1.Недостатками этого устройства являются необходимость в четырех одитонаковых исследуемых образцах, чтоприводит к удорожанию экспериментаи увеличению затрат времени на егоподготовкуизмерение малой раэности температур, необходимость в ап 4паратуре для стабилизации мощностинагревателя и ее измерении. При не"соблюдении условия равенства перепадов температур на пакетах и при отсутствии попарного равенства толщиныобразцов точность измерения падает.Наиболее близким .к предлагаемомуявляется устройство для определения3 9226идентичных измерительных блока, каждый из которых оснащен термостатируемой камерой, выполненной в видепроточного теплообменника, в поверхность которого вмонтированы тепломер и датчик температуры поверхности образца, а также механизм перемещения и установки измерительных блоков и измерительную схему. Коэффициент теплопроводности в этом устрой фстае определяют по среднеарифметической плотности теплового потока,прошедшего через исследуемый образец, по толщине образца и разноститемператур 2),1Однако трудности, связанные с градуировкой теплоиеров и термопар после сборки прибора, возможность испытывать образцы только большого диаметра 100 мм , необходимость в из- ромерении разности температур приводитк необходимости использовать разныевторичные приборы для измерения сигналов тепломеров и термопар.Цель изобретения - повышение точности измерений.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве для определениятеплопроводности твердых материалов,содержащем два идентичных измери- щтельных блока, каждый из которыхоснащен термостатируемой камерой,тепломером и датчиком температурыповерхности образца, а также механизм перемещения и установки измерительных блоков и измери 1 ельную схему, в каждый измерительный блок введен полый цилиндрический стержень извысокотеплопроводного материала, контактирующий с тепломером по боковойповерхности, а с датчиком температуры поверхности образца - по торцовой, в полости которого установленградуирующий элемент в виде источника регулируемой мощности, а тепломеры выполнены идентичными с заданными терюМевкими сопротивлениями,1На чертеже приведена конструктивная схема устройства.Устройство содержит два идентич- фных измерительных блока, каждый изкоторых оснащен термостатируемой камерой 1,выполненной в виде проточного теплообменника, в который вмонтирован тепломер 2, выполненный ввиде трубы и контактирующий по наружной поверхности с термостатирующейкамерой 1, а:по внутренней поверх 02 фности - с полым цилиндрическим стержнем 3, выполненным иэ высокотеплопроводного материала (меди, серебра) с вмонтированным в его полость источником 4 регулируемой мощности (например, электронагревателем). На торцовой поверхности стержня 3 установ" лен датчик 5 температуры, служащий для измерения температуры поверхности исследуемого образца б и для определения температуры отнесения, Для пре" дотвращения возникновения конвективных потоков и уменьшения боковых потерь исследуемый образец 6 окружен защитными цилиндрическими муфтами 7, выполненными из высокотеплопроводного материала и контактирующими с термостатируемыми камерами 1. Кроме того, стабильности измерений способствует наличие подвижной изоляционной муфты 8, ограничивающей тепловые потери термостатирующих камер 1и защитных муФт 7. Нижний измеритель"ный блок закреплен неподвижно на основании прибора 9, а верхний измерительный блок соединен с подвижным винтом 10 механизма перемещения и установки верхнего измерительного блока,Предлагаемое устройство позволяетопределять теплопроводность исследуемого образца 6 как абсолютным методом, так и методом теплометрического моста,При определении теплопроводности абсолютным методом исследуемый образец б помещают между торцовыми поверхностями цилиндрических стержней 3 и с помощью механизма перемещения и установкиверхнего блока прижимают образец к поверхностям стержней 3, После чего рабочее пространство закрывают подвижными муфтами 7 и 8, подключают термостатируемые камеры 1 верхнего и нижнего блоков параллель" но к одному термостату, нагреватель 4 верхнего блока - к источнику питания, а тепломер 2 нижнего измерительного блока и датчики температуры поверхности исследуемого образца6 включают в измерительную схему. Закончив сборку устройства, включают термостат, с помощью нагревателя 4 устанавливают требуемый уровень теплового потока и после достижения ста"ционарного теплового состояния измеряют тепловой поток тепломером 2 нижнего блока и разность температур датчиками 5.5 9226Коэффициент теплопроводности оп"ределяют по Формуле аъ ьеь Хв - - -М 1- " М Р9,1 ы полученным из решения нижеприведеннои системы уравнений относительно= 4 Ррьс = ,Ргде Р и Р - суммарные термическиесопротивления, включающие в себя термическиесопротивления тепломеров 2, стержней 3 и кон"тактные термические сопротивления;и О - тепловые потоки, измеренные тепломерами 2нижнего и верхнего измерительных блоков;А и В - постоянные прибора,определяемые путем градуировки устройства пообразцам с известнойтеплопроводности.Из анализа формулы 1) следует,что для определения теплопроводностиисследуемого образца не требуетсяизмерения перепада температур на образце. Датчики 5 температуры используют при этом методе исследованиятолько для определения температурыотнесения полученных значений коэф"фициента теплопроводности.Использование в качестве тепловоспринимающего элемента цилиндрического стержня из материала с высокой теплопроводностью, окруженного цилиндри" ческим тепломером позволяет создать приборы для исследования образцов малого диаметра (от 12 до 2 мм), а ис" пользование метода теплометрического где 1 - коэффициент теплопроводности исследуемого образца;Ь,Г - толщина и площадь поверхности контакта исследуемого образца;д - перепад температур на образце;Я - тепловой поток, прошедшийчерез образец 6 и измеренный тепломером 2;3 -. термоЭДС тепломера 2;рабочий коэФФициент тепломера (величина обратнаячувствительности).При необходимости опыт может бытьпроведен с помощью нагревателя нижнегд блока и тепломера 2 верхнего.Для определения величины рабочихкоэффициентов тепломеров 2 междустержнями 3 закрепляют батарею дифференциальных термопар (или дополнительный тепломер),работающую в режиме нуль-индикатора, подключают обанагревателя 4 к источникам тока иподводят к ним мощность, прикоторой сигнал батареи дифференциальных термопар равен нулю, Измеряютмощности, подведенные к нагревателям,и термо-ЭДС тепломеров 2 и по их отношениям определяют рабочие коэффи- з 5циенты тепломеров.Для градуировки датчиков температуры поверхности образца 6 междуторцами стержней 3 устанавливаютплоский эталонный датчик температуры, При отключенных нагревателях4 прокачивают через термостатируемыекамеры 1 теплоноситель с одинаковойтемпературой и после достижениястационарного режима, при котором 45показания обоих тепломеров станутравными нулю, измеряют сигналы эталонного и градуируемых датчиков тем"пературы,, 1 Из описания методики градуировки50 устройства следует, что она может быть проведена практически в любой теплофизической лаборатории, что является несомненным преимуществом этого устройства, для градуировки которого требуются специальные стенды.При определении теплопроводности исследуемого образца методом тепло 02 6метрического моста в измерениях участвуют тепломеры 2 и один из нагревателей 4, причем тепломеры 2 являются своеобразными элементами срав" нения при определении теплопроводкости. Для определения теплопроводности в термостатируемых камерах 1 с помощью нагревателя 4 верхнего блока задают требуемый уровень теплового потока, проходящего через образец и после достижения стационарного состояния измеряют термо-ЭДС тепломеров,Коэффициент теплопроводности рассчитывают по формуле или -. - -)ее922602 моста дает возможность проводить исследования при малых перепада температур на образце (5 1010 К), что расширяет возможности устройства применительно к исследованию капиллярно- ь пористых влажных материалов.Как показали испытания опытного образца устройства за счет повышения корректности градуировки при работе абсолютным методом с использованием 0 датчиков температуры, вмонт%руемых в устройство, относительная погрешность составляет в зависимости от перепада температур на образце 1,5-3,5 3, при работе с датчиками температуры, вмон тированными в образец - 1,5-2 .При работе на устройстве методом теплометрического моста относительная погрешность определения. коэффициента теплопроводност даже при пе о репаде температур в 10 К лежит в пре.делах 1,7-2 Ф,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРгз И 253412, кл. О 01 й 25/18, 19 б 7.2. Авторское свидетельство СССРй 347 б 43, кл. 6 О 1 И 25/18, 1970(прототип) формула изобретения Устройство для определения теплопроводности твердых материалов, содержащее два идентичных измерительных блока, каждый из которых оснащентермостатируемой камерой, тепломероми датчиком температуры поверхностиобразца, а также механизм перемещенияи установки измерительных блоков и измерительную схему, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышенияточности измерений, в каждый измерительный блок введен полый цилиндрический стержень иэ высокотеплопроводного материала, контактирующий с тепломером по боковой поверхности, а сдатчиком температуры поверхности образца - по торцовой, в полости которого установлен градуирующий элементв виде источника регулируемой мощности, а тепломеры выполнены идентичными с заданными термическими сопротив,лениями.