Способ определения теплопроводности и темепературопроводности твердого тела и устройство для его осуществления

(51) 01 25/18 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ повышении точности определения теплопроводности и температуропроводности твердых тел с одновременным упрощением и удешевлением способа его реализации за счет уменьшения числа стадий эксперимента и снижением затрат на приборно-аппаратурную реализацию. В предлагаемом способе воздействие на поверхность твердого тела осуществляют нагретым жидким теплоносителем со скоростью истечения струи,обеспечивающей обновление теплопередающего слоя на границе раздела жидкий теплоноситель - тепло, в качестве жидкого теплоносителя использована нагретая вода. В предлагаемое устройство дополнительно введены термостат и дозатор, воздействующий на поверхность твердого тела тепловой поток формируют дополнительно использованной предварительно нагретой в термостате струей воды с регулируемой скоростью истечения струи из дозатора, температуру поверхности твердого тела регистрируют на его обратной, по отношению к воздействующему тепловому потоку, поверхности, а для измерения температуры твердого тела используют термопарные хромель-алюмельные измерительные преобразователи.(72) Баймолда Айкерм Вусик Андрей Юрьевич Канимов Булат Кабжанович Ошакбаев Сункар Сенбекович(73) Товарищество с ограниченной ответственностью Лаборатория сетевых технологий(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к способам определения теплофизических свойств твердых тел,в том числе, алюминий-алмазных композитов высокой теплопроводности и может применяться в различных отраслях науки и промышленности для проведения тепловых испытаний конструкций,теплопроводных и теплоизоляционных материалов. Технический результат при использовании предлагаемых способа и устройства заключается в Изобретение относится к способам определения и устройства теплофизических свойств твердых тел,в том числе, алюминий-алмазных композитов высокой теплопроводности и может применяться в различных отраслях науки и промышленности для проведения тепловых испытаний конструкций,теплопроводных и теплоизоляционных материалов. Известен способ определения теплопроводности материалов, заключающийся в создании теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца /ГОСТ 7076-99 Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме - Взамен ГОСТ 7076-87 Введ. 01.04.2000.-М., 2000-.12/. По данным измерений плотности теплового потока,температур противоположных лицевых граней и толщины образца рассчитывают теплопроводность исследуемого материала. Способ технически сложно реализовать, он не приемлем для материалов и изделий с теплопроводностью более 1,5 Вт/(м.С). Известен способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов /Пат.РФ 2161301, МПК 01 25/18, 27.12.2000),заключающийся в том, что на поверхность исследуемого объекта воздействуют по линии тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования. Перед тепловым воздействием измеряют разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания,разноотстоящих от линии действия источника теплоты. Недостатками данного способа являются обязательная теплоизоляция поверхности исследуемого тела, сложность в предварительной подготовке и проведении эксперимента,многостадийность эксперимента. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме и устройство для его осуществления по Пат РФ 2 460 063, МПК 01 25/18, опубл. в БИ 24,27.08.2012 г. Данный способ и устройство для его реализации выбраны за прототип к предлагаемым способу и устройству. Известный способ заключается в воздействии на поверхность твердого тела тепловым потоком,регистрации температурного поля исследуемого твердого тела и экспериментально-расчетном определении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердого тела. Устройство для реализации известного способа включает приспособления для формирования и направления на поверхность твердого тела теплового потока,измерения температуры исследуемого твердого тела и экспериментальнорасчетного определения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердого тела. Известный способ и устройство для его реализации имеют недостатки. Так,достаточно сложно создать удовлетворяющий требованиям равномерного облучения матовый поверхностный слой исследуемого твердого тела. Во время же измерения теплопроводности известным способом возникают проблемы, связанные с рассеиванием, отражением и поглощением энергии, из-за чего трудно определить конечный выход энергии. Также достаточно затратна реализация известного способа. Технический результат при использовании предлагаемых способа и устройства заключается в повышении точности определения теплопроводности и температуропроводности твердых тел с одновременным упрощением и удешевлением способа его реализации за счет уменьшения числа стадий эксперимента и снижением затрат на приборно-аппаратурную реализацию. Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела,заключающемся в воздействии на поверхность твердого тела тепловым потоком, регистрации температурного поля исследуемого твердого тела и экспериментально-расчетном определении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердого тела, воздействие на поверхность твердого тела осуществляют нагретым жидким теплоносителем со скоростью истечения струи, обеспечивающей обновление теплопередающего слоя на границе раздела жидкий теплоноситель - тепло, а в качестве жидкого теплоносителя использована нагретая вода. Указанный технический результат достигается также тем, что в состав устройства определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела, включающего приспособления для формирования и направления на поверхность твердого тела теплового потока, измерения температуры исследуемого твердого тела и экспериментально-расчетного определения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердого тела,дополнительно введены термостат и дозатор,воздействующий на поверхность твердого тела тепловой поток формируют дополнительно использованной предварительно нагретой в термостате струей воды с регулируемой скоростью истечения струи из дозатора, температуру поверхности твердого тела регистрируют на его обратной, по отношению к воздействующему тепловому потоку, поверхности, а для измерения температуры твердого тела используют термопарные хромель-алюмельные измерительные преобразователи. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что воздействие на поверхность твердого тела осуществляют нагретым жидким теплоносителем со скоростью истечения струи,обеспечивающей обновление теплопередающего слоя на границе раздела жидкий теплоноситель - тепло, а в качестве жидкого теплоносителя использована нагретая вода. Сопоставительный анализ также показывает, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что дополнительно введены термостат и дозатор, воздействующий на поверхность твердого тела тепловой поток формируют дополнительно использованной предварительно нагретой в термостате струей воды с регулируемой скоростью истечения струи из дозатора, температуру поверхности твердого тела регистрируют на его обратной, по отношению к воздействующему тепловому потоку, поверхности, а для измерения температуры твердого тела используют термопарные хромель-алюмельные измерительные преобразователи. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом, а сами изобретения соответствуют критерию изобретения новизна. Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники не позволили выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию существенные отличия. Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 изображен общий вид предлагаемого устройства на фиг.2 - сменная ячейка с образцом на фиг.3 - блок-схема устройства определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела на фиг.4 - экран осциллографа с типичной кривой температуропроводности. В соответствии с предлагаемым способом воздействие на поверхность твердого тела осуществляют нагретым жидким теплоносителем со скоростью истечения струи, обеспечивающей обновление теплопередающего слоя на границе раздела жидкий теплоноситель - тепло, при этом в качестве жидкого теплоносителя использована нагретая вода. Устройство определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела имеет в своем составе приспособление для формирования и направления на поверхность твердого тела 1(образца) диаметром 16 мм (площадь поверхности 2 см 2) теплового потока - нагретого жидкого теплоносителя 2 (нагретой воды). Для нагрева воды использован термостат 3, а для дозированной с регулируемой скоростью автоматической подачи воды использован дозатор 4. Температуру поверхности твердого тела регистрируют на его обратной, по отношению к воздействующему тепловому потоку, поверхности. При этом, для измерения температуры твердого тела используют термопарные хромель-алюмельные измерительные преобразователи 5, сигналы с которых после усиления регистрируются на осциллографе 6. Для снижения уровня помех в схеме использованы входные и выходные фильтры. Само исследуемое твердое тело 1 (образец) помещается в основании 7 (фиг.2) и закрепляется фиксатором 8, взаимодействующим с образцом 1 через уплотнение 9. Основание 7 и фиксатор 8 изготовлены из материала с теплопроводностью на два порядка раз меньше ожидаемых теплопроводностей исследуемых образцов(например, из фторопласта 4). Уплотнение выполнено из тепло- и водоизолирующего материала, например, из вспененного пористого с закрытыми порами полипропилена теплопроводностью 0,02 Вт/м К. В основании 7 под образцом 1 выполнен паз, в котором размещен хромель-алюмельный измерительный преобразователь 5, например,прецизионная термопара типа ХА со средней погрешностью в диапазоне 01000 С не более 0,3. Максимальная регистрируемая скорость нагрева термопары 6500 С (использованы прецизионные сертифицированные термопарные проволоки фирмы Кос (Германия) типа хромель-алюмель диаметром 0,09 мм с изолирующим покрытием 0,03 мм). Фиксатор 8 притянут к основанию 7 стяжными винтами (не показаны). Такое конструктивное использование ячейки с образцом позволили исключить при моделировании ряд переменных и проводить моделирование в пределах граничных условий первого и второго рода. Геометрия твердого тела 1 (образца) близка к пластинчатой форме, то есть площадь поверхности поглощения теплового потока много больше суммарной поверхности торцов. В качестве дозатора был применен стандартный дозатор воды, например, пипет-дозатор Наер фирмыемкостью наконечника 5 мл и дозировкой жидкости от 100 до 1000 мкл с точностью 0,5, что позволило осуществлять до десяти измерений за одно заполнение дозатора. Корпус термостата 3 выполнен из полипропилена высокой плотности с вмонтированным в него нагревателем 10 мощностью 80 Вт, что позволяет прогреть воду до 90 С за три-четыре минуты. Поддержание температуры и контроль за режимом нагрева осуществляется цифровым регулятором 11 типа ВМ 1707 с цифровой индикацией и возможностью автоматической регулировки и установки параметров. В качестве датчика температуры использован цифровой интегральный датчик 12,например, интегральный датчик 18 В 20 с точностью регистрации до десяти разрядов(0,0625 К). Сигналы термопар регистрируются осциллографом 13 (например, ВМ 8020), связанным с компьютером 14 через В разъем. Программное обеспечение осциллографа 13 позволяет проводить измерения в режимах осциллографа, самописца,анализатора сигналов и других режимах в широких диапазонах измерений. Описанная реализация устройства обеспечила воздействие на поверхность твердого тела нагретым жидким теплоносителем со скоростью истечения 3 струи,обеспечивающей обновление теплопередающего слоя на границе раздела жидкий теплоноситель - тепло. Это достигнуто за счет того, что характерные времена измерения были меньше времени истечения струи воды, которая благодаря своей кинетической энергии истечения создает поток обновляющий поверхность раздела. Так, в экспериментах зафиксировано истечение струи воды из дозатора объемом 0,5 мл за время 0,34 С, характерные же времена измерений,требующих обновления слоя, лежат в пределах 0,020,1 С, что меньше времени истечения и достаточно для обновления теплопередающего слоя. То есть,экспериментально подтверждено достоверное обновление теплопередающего слоя воды за время измерения. В результате работы предлагаемого устройств получены достоверные данные по зависимости температуры обратной стороны образца 1 от времени при подаче разогретой воды 2. Полученная характерная зависимость изменения температуры обратной стороны образца от времени приведена на фиг.4. Данная зависимость фиксируется в памяти компьютера в виде файла с расширением ., который после конвертации в файл типа . считывается программойв виде табличного материала для обработки. Полученные в табличном виде данные обрабатываются по методике, которая включает в себя приведение результатов в мВ к температуре по коэффициенту усиления термопарного усилителя(5 мВ/0) приведение к нулевым значениям начала измерения по времени и температуре, исключая температуру окружающей среды построение графика зависимости температура - время и нахождение его аппроксимирующей функции или полинома дифференцирование по времени исходных данных и/или полинома методом Лагранжа в зависимости от поставленных задач и способа интерпретации результата нахождение по этим данным линейного участка дифференцирования или производной полинома,который сводит решение уравнения теплопроводности к постоянным членам, откуда вычисляется теплопроводность. Теплоемкость же материала вычисляется из предельной температуры образца,его геометрических и физический значений (плотности). Предложенные способ и устройство определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела имеют ряд преимуществ по отношению к известным и применяемым способам с лазерными и ксеноновыми источниками тепла. Так,предлагаемый способ не требует тщательной подготовки поверхности образца (т.е. не зависит от характера его поверхности - шершавая,полированная, бугристая и др.). Исключены также зависимость от оптических свойств материала и неопределенности, связанные с работой с неизвестным материалом. Исключается перегрев поверхности материала и изменения его свойств в процессе теплового воздействия (например, как при облучении лазерным источником тепла). Значительно упрощена конструкция самого устройства(не требуется дорогостоящих источников света и специальных способов фокусировки как при использовании лазерного и ксенонового излучения не требуется специальных источников питания не требуется специальных высокочастотных измерителей температуры), что привело к снижению стоимости устройства и затрат на проведение процедур измерения. В изготовленном и апробированном устройстве достигнуты следующие характеристики скорость измерения температур в десять раз выше скоростей ее изменения, при этом скорость регистрации температуры не менее 10000 С-1. Все это позволило использовать предлагаемое устройство для работы с композитными материалами со значительно различающимися параметрами компонентов (например, алмазалюминий). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела,заключающийся в воздействии на поверхность твердого тела тепловым потоком, регистрации температуры исследуемого твердого тела и расчетном определении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердого тела, отличающийся тем, что воздействие на поверхность твердого тела осуществляют нагретым жидким теплоносителем со скоростью истечения струи, обеспечивающей обновление теплопередающего слоя, при этом температуру твердого тела регистрируют на его обратной, по отношению к воздействующему тепловому потоку,поверхности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого теплоносителя используют теплую воду. 3. Устройство определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела,включающее приспособление для формирования и направления на поверхность твердого тела теплового потока, устройство для установки твердого тела, систему термопреобразователей,отличающееся тем, что оно снабжено термостатом для нагрева жидкости и дозатором жидкости,устройство для установки твердого тела выполнено в виде основания и снабжено фиксатором,взаимодействующим с образцом твердого тела через уплотнение,выполненное из теплои водоизолирующего материала, при этом в основании под образцом твердого тела выполнен паз для размещения в нем термопарных хромельалюмельных измерительных преобразователей. Блок схема измерителя теплопроводности Интерфейс осциллографа ВМ 8020 с типичной кривой температуропроводности