Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7175
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
G 01N 25/20
G 01N 25/18
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
(21) Номер заявки: u 20100601
(22) 2010.07.02
(71) Заявитель: Белорусский государ-
ственный университет (BY)
(72) Авторы: Карбалевич Нина Алексан-
дровна; Лопатов Геннадий Яковлевич;
Федотов Александр Кириллович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский госу-
дарственный университет (BY)
(57)
Устройство для определения теплофизических характеристик твердых материалов,
содержащее измерительную ячейку, электрический нагреватель, источник питания, тер-
мостат, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок аналого-цифрового преоб-
разования сигналов с термопар, блок связи с ПЭВМ, ПЭВМ, а также в термостате система
распределения жидкостного теплоносителя выполнена с возможностью управления пода-
чей жидкости к одному или двум блокам измерительной ячейки.
(56)
1. Волков Д.П., Кораблев В.А., Заричняк Ю.П. Приборы и методы для измерения теп-
лофизических свойств веществ. Методич. указания к лаб. работам. - С.-П., 2006. - С. 33-39.
2. Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче / Под ред. В.И. Кру-
това, Е.В. Шишова. - М.: Высшая школа, 1988. - С. 189-194.
3. Практикум по теплопередаче / Под ред А.П. Солодова. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -
С. 125-130.
4. Саржевский A.M. и др. Физический практикум: Для физ. спец. вузов / Под ред.
Г.С. Кембровского. - Минск: Университетское, 1986. - С. 150-155.
5. Шашков А.Г. и др. Методы определения теплопроводности и температуропровод-
ности. - М.: Энергия, 1973. - С. 90-93.
Фиг. 1
BY7175U2011.04.30

2. BY 7175 U 2011.04.30
2
Предлагаемое техническое решение относится к ряду лабораторных установок для
физического практикума и может использоваться в учебных заведениях при проведении
лабораторных работ по курсу теплофизики.
Известны устройства для определения теплофизических характеристик твердых мате-
риалов [1-5], использующие отдельные составляющие элементы того же функционального
назначения, что и в предлагаемом устройстве. Для определения коэффициентов теплопро-
водности и температуропроводности используются, как правило, разные установки [1-4];
зависимость температуры от времени регистрируется либо с помощью самописца [4], ли-
бо с помощью вольтметра (гальванометра) и секундомера [1-3]. Недостатком данных
устройств является отсутствие наглядности эксперимента, невысокая точность измерения
искомых величин, невозможность комплексного определения теплофизических характе-
ристик.
Устройства [1] содержат калориметры разных типов (λ-калориметр, ИТ-λ-400, регу-
лярный бикалориметр), позволяющие измерять коэффициент теплопроводности; термо-
ЭДС измеряется с помощью вольтметра, а тепловой поток задается с помощью ЛАТРа
(автотрансформатора), либо прокачиванием воды или жидкого азота через один из блоков
калориметра.
Недостатком данных устройств является необходимость применения тепломера для
определения теплового потока, возможность определения только коэффициента тепло-
проводности (λ), использование только стационарной стадии процесса и исключение из
рассмотрения нестационарной и регулярной стадий развития температурного поля, а зна-
чит, невозможность определения коэффициента температуропроводности (α), отсутствие
наглядности эксперимента, применение разных установок для реализации различных ме-
тодик определения λ.
В устройствах [2, 3] для определения коэффициента теплопроводности используется
модель плоского слоя с граничными условиями первого и второго рода. Показания термо-
пар регистрируются с помощью вольтметра, тепловой поток задается с помощью ЛАТРа.
В стационарном тепловом режиме определяется перепад температур на двух поверхностях
образца и по известным величинам теплового потока и геометрическим размерам образца
рассчитывается коэффициент теплопроводности. В данных устройствах не используется
нестационарная стадия процесса и, таким образом, исключается возможность определения
по экспериментальным данным коэффициента температуропроводности. Недостатком яв-
ляется также отсутствие наглядности эксперимента, его невысокая точность.
В устройстве [4] импульсным методом определяются коэффициенты тепло- и темпе-
ратуропроводности материала (дерева). Зависимость температуры от времени измеряется
с помощью термистора и секундомера. По графику определяется момент времени дости-
жения максимальной температуры в данной точке образца и значение ∆Tmax. Недостатком
данного устройства является невозможность использования других режимов теплового
процесса для определения теплофизических характеристик, отсутствие наглядности экс-
перимента, невысокая точность.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является
устройство [5].
Основным элементом устройства является калориметрическая ячейка, состоящая из
двух пустотелых плоскопараллельных медных блоков. Блоки соединяются последова-
тельно и подключаются к термостату, с помощью которого через полости блоков прока-
чивается вода комнатной температуры. Исследуемый образец состоит из двух
плоскопараллельных круглых пластинок, между которыми помещается плоский нагрева-
тель, подключаемый к источнику питания. Система образец-нагреватель вносится в про-
странство между блоками и сжимается их плоскостями. В качестве датчика температуры
используется дифференциальная термопара, один спай которой помещается в центре об-
разца, а второй - на поверхности одного из блоков. Свободные концы термопары подклю-

3. BY 7175 U 2011.04.30
3
чаются к самописцу. При включении термостата и нагревателя регистрируется зависи-
мость разности температур на поверхностях пластины от времени. В регулярном режиме
рассчитывается коэффициент температуропроводности, а в стационарном режиме - коэф-
фициент теплопроводности. Недостатком данного устройства является невысокая точ-
ность эксперимента, невозможность применения иных методик определения коэффици-
ентов тепло- и температуропроводности.
Задачей предлагаемого устройства является создание универсальной, компактной,
удобной в применении автоматизированной лабораторной установки, обеспечивающей
повышение точности измерений, наглядности эксперимента и расширение функциональ-
ных возможностей.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения теплофизиче-
ских характеристик твердых материалов, содержащем измерительную ячейку, электриче-
ский нагреватель, источник питания, термостат, дополнительно содержит блок аналого-
цифрового преобразования сигналов с термопар, блок связи с ПЭВМ, ПЭВМ, а также в
термостате система распределения жидкостного теплоносителя выполнена с возможно-
стью управления подачей жидкости к одному или двум блокам измерительной ячейки.
Измерительная ячейка представляет собой систему двух пустотелых алюминиевых
блоков - цилиндров, соединенных с термостатом. Между цилиндрами располагаются
идентичные по геометрии плоские исследуемые образцы. Для обеспечения хорошего теп-
лового контакта сборка образцов механически сжимается между плоскостями блоков. Для
предотвращения утечек тепла с боковых поверхностей образцов и обеспечения одномер-
ности тепловых потоков боковые поверхности образцов теплоизолируются.
В зависимости от используемой методики эксперимента жидкостный теплоноситель
прокачивается либо через два блока, обеспечивая поддержание постоянной температуры
на поверхностях двух образцов, либо через один блок, задавая тепловой поток на поверх-
ности одного из образцов.
Для создания теплового потока используется также электрический нагреватель, рас-
полагаемый между двумя образцами. Локальный плоский тепловой источник включается
в зависимости от выбранной методики эксперимента.
Для измерения температуры на поверхностях образцов используются 4 термопары.
Две из них расположены на поверхностях блоков, а две другие - на поверхностях образ-
цов. Из этих термопар образуются дифференциальные термопары, измеряющие перепад
температур на поверхностях двух образцов. Получение данных с термопар осуществляет-
ся посредством использования блока аналого-цифрового преобразования сигналов (AD-
AM 4018P), блока связи с ПЭВМ и ПЭВМ. Реализованная на основе ADAM 4018Р
система сбора и обработки информации позволяет измерять напряжение в диапазоне от
десятков микровольт до вольт. Для распространенных типов термопар возможно получе-
ние результатов непосредственно в виде °С. Зависимости ∆T = f(τ) представляются в виде
графиков и таблиц.
Экспериментальная установка предназначена для выполнения цикла лабораторных
работ по определению коэффициентов теплопроводности и температуропроводности
твердых материалов:
1. Определение коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов в
стационарном режиме при использовании абсолютной и сравнительной методик;
2. Определение коэффициентов температуропроводности теплоизоляционных матери-
алов в регулярном режиме с граничными условиями первого и второго рода;
3. Определение коэффициентов температуропроводности материалов в нестационар-
ном режиме с использованием теплового источника постоянной мощности и импульсного
теплового источника.
Измерительная система позволяет исследовать эволюцию температурных полей и на
этой основе определять теплофизические характеристики материалов:

4. BY 7175 U 2011.04.30
4
а) при различных режимах нагрева (импульсном, постоянном);
б) при использовании нагревателей различного типа (электрического, жидкостного);
в) при различных граничных условиях (первого и второго рода);
г) для различного рода моделей (неограниченной пластины, полуограниченного тела);
д) при различных режимах развития температурного поля (нестационарном, регуляр-
ном, стационарном);
е) с использованием сравнительной и абсолютной методики.
Чувствительность применяемых датчиков температуры (термопар) - 0,04-0,06 мВ/К.
Теплопроводность исследуемых материалов лежит в пределах 0,01-0,2 Вт/(м⋅К).
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 представлена блок-схема
устройства для определения теплофизических характеристик материалов. На фиг. 2 изоб-
ражено окно программы, в котором указаны типы и текущие показания термопар, на
фиг. 3 приведен график зависимости температуры от времени, на фиг. 4 отображен файл,
в котором записываются результаты измерений.
Устройство для определения теплофизических характеристик (фиг. 1) включает сле-
дующие составные элементы:
1. Измерительная ячейка;
2. Блок аналого-цифрового преобразования сигналов с термопар;
3. Блок связи с ПЭВМ;
4. ПЭВМ;
5. Термостат;
6. Электрический нагреватель;
7. Источник питания.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Включается персональный компьютер 4. Перед запуском программы управления сбо-
ром информации с датчиков температуры необходимо выбрать режим работы блока ана-
лого-цифрового преобразования сигналов 2 с термопарных датчиков: в виде
температурных значений, либо значений термоЭДС. Это осуществляется путем запуска
компьютерной программы и указанием в ней типов термопар (фиг. 2). Если показания
термопарных датчиков регистрируются в градусах ( °С), программа автоматически пере-
считывает измеряемую термоЭДС в температуру. В окне (фиг. 2) указаны типы и текущие
показания термопар, соединенных с блоком. (К блоку аналого-цифрового преобразования
сигналов могут подключаться 8 дифференциальных термопар.) Типу К соответствует
хромель-алюмелевая термопара. "Зная" тип термопары, компьютерная программа автома-
тически пересчитывает значение термоЭДС в температуру.
При запуске программы измерения температуры "Измерение Т" открывается окно, в
котором указаны номера термопар. В процессе работы программа снимает показания тер-
мопар через каждые 5 секунд. Зависимости температуры от времени отображаются в виде
графиков (фиг. 3) и сохраняются в файле данных (фиг. 4).
Для реализации граничного условия первого рода на поверхностях образцов исполь-
зуется термостат с автоматической регулировкой температуры. Температура термоста-
тирования лежит в пределах от 20 до 90 °С и поддерживается с точностью 0,1 °С.
Тепловой поток, создаваемый электрическим нагревателем (6), регулируется с помо-
щью источника стабилизированного питания (7).
Определение коэффициента теплопроводности осуществляется двумя способами.
1. При использовании абсолютной методики создается симметричная система из двух
образцов одинаковой толщины, изготовленных из исследуемого материала. Между образ-
цами располагается электрический нагреватель. Вода из термостата (Устройство термо-
статирующее измерительное "Термостат A3") прокачивается через оба блока. При
достижении стационарного режима измеряется перепад температур на одном образце и
мощность, подаваемую на нагреватель. Зная толщину образца h, плотность теплового по-
тока q и ∆T = T1-T2, рассчитывается коэффициент теплопроводности, используя уравнение

5. BY 7175 U 2011.04.30
5
( )21 TT
h
q −
λ
= .
2. При реализации сравнительной методики в пространство между блоками помеща-
ются два образца, изготовленные из разных материалов. Вода из термостата прокачивает-
ся через один блок, обеспечивая тепловой поток на поверхности исследуемого образца.
Второй блок предназначен для стабилизации комнатной температуры на поверхности эта-
лона. В стационарном режиме тепловые потоки, проходящие через оба образца, равны.
Измеряя перепад температур на обоих образцах при помощи дифференциальных термо-
пар, зная толщину образцов, измеренную ранее, и теплопроводность эталона, рассчитыва-
ется теплопроводность исследуемого образца:
.
T
T
h
h э
э
э
∆
∆
λ=λ
Определение коэффициента температуропроводности в регулярном режиме осу-
ществляется двумя способами.
3. В первом способе определения коэффициента температуропроводности в регуляр-
ном режиме используются две одинаковые плоскопараллельные круглые пластинки рав-
ной толщины, изготовленные из исследуемого материала. Соотношение между
линейными размерами удовлетворяет предельному условию:
,
4
1
R
h
к ≤=
где h - толщина одной пластинки; R - ее радиус.
Площадь пластинки приблизительно равна площади плоского нагревателя. Нагрева-
тель помещается между пластинками. Образованная таким образом система вносится в
пространство между блоками и сжимается их плоскостями. Через блоки пропускается во-
да постоянной температуры.
После выравнивания температуры по объему образца (это будет видно по графикам)
включается нагреватель. Выбор величины мощности, подводимой к нагревателю, опреде-
ляется допустимым температурным перепадом в образце, который должен составлять
около 10 °С. Если термическое сопротивление неизвестно даже ориентировочно, то нуж-
ная мощность подбирается опытным путем.
После включения нагревателя избыточная температура начинает расти, достигая мак-
симума в стационарном состоянии. Имея кривую изменения разности температур во вре-
мени, строится график зависимости ln(∆Tст - ∆Ti) = f(τ). В графическом представлении
приведенная формула представляется прямой линией.
Следовательно, зная ∆Tст и ∆Ti (значение разности температур в любой момент време-
ни), можно построить прямую, по наклону которой находится темп изменения температу-
ры m, а значит, и температуропроводность:
( ) ( )
( )
.m
h4TTlnTTlnh4
a 2
2
12
2ст1ст
2
2
π
=
τ−τ
∆−∆−∆−∆
π
=
4. Во втором способе симметричная система образцов из исследуемого материала рас-
полагается между блоками, через которые прокачивается вода из термостата (нагреватель
отсутствует). Первоначально создается перепад температур ∆T = 10 °С относительно ком-
натной. Анализируя эволюцию температурного поля, регистрируемого на одном образце,
в регулярном режиме рассчитывается искомый коэффициент. После достижения стацио-
нарного режима, соответствующего полному выравниванию температуры в образце, тем-
пература воды в термостате вновь изменяется на 10 °С. Такое ступенчатое изменение
температуры продолжается до достижения значения 90 °С. По полученным графикам
∆T = f(τ) рассчитывается темп изменения температуры, а по нему - коэффициент темпера-
туропроводности и его зависимость от температуры.

6. BY 7175 U 2011.04.30
6
5. Для определения коэффициента температуропроводности в чисто нестационарном
режиме - начальной стадии развития температурного поля используется модель полуогра-
ниченного тела, для которого соотношение (1) должно быть больше 1. Но в нашем случае
начальная стадия изменения температуры такая же, как и в полупространстве. Для того,
чтобы определить комплекс теплофизических характеристик (тепло- и температуропро-
водность, тепловую активность) второй образец из исследуемого материала изготовляется
составным. Термопары размещаются в плоскости нагревателя и на расстоянии x = 5 мм от
него. В этом случае термостат не включается, а регистрируется изменение температуры в
двух точках. Имея график зависимости ∆Tн = ϕ(τ), т.е разность температур в плоскости
нагревателя и на поверхности образца, строится график ( ),Tf н∆=τ который представля-
ет собой прямую линию, проходящую через начало координат с тангенсом угла наклона к
оси абсцисс, равным
,
q2
b
tg
π
=γ
где b - коэффициент тепловой активности образца. При введении коэффициента тепловой
активности из зависимости
τ
π
=∆
b
q2
Tн (полученной из решения задачи теплопроводности)
получаем формулу для расчета коэффициента тепловой активности
нT
q2
tg
q2
b
∆
τ
π
=γ
π
= .
Удельный тепловой поток q рассчитывается по формуле
( ),м/Вт
S2
IU
S2
RI
q 2н
2
==
где I, U, Rн, S - соответственно ток, напряжение, сопротивление и площадь одной стороны
нагревателя.
Наличие двух графиков зависимости ∆Tн = ϕ(τ) и ∆Tx = f(τ) позволяет определить ко-
эффициент температуропроводности двумя способами: по времени запаздывания (т.е.
времени, в течение которого температура в сечении x станет такой же, как температура в
плоскости нагревателя) и по отношению (∆Tн/∆Tх) в один и тот же момент времени.
Определив коэффициент температуропроводности и тепловую активность, рассчитывает-
ся коэффициент теплопроводности.
6. Описанная выше конструкция позволяет определять коэффициент температуропро-
водности методом импульсного плоского источника. В этом случае график зависимости
температуры от времени представляет собой кривую с экстремумом. Измерение макси-
мального значения температуры и времени достижения этого максимума позволяет рас-
считать коэффициент температуропроводности, используя соотношения, полученные при
решении соответствующей задачи теплопроводности:
,
ln2
11
x
a
omax
max
maxomax
2
τ−τ
τ






τ
−
τ−τ
=
где τo - время действия импульсного теплового источника.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение наглядности лабо-
раторных экспериментов, точности результатов исследования и расширение функцио-
нальных возможностей.

7. BY 7175 U 2011.04.30
7
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.