- •6 Нестационарные методы регулярных режимов первого, второго и третьего рода
- •6.1 Основные сведения о регуляризации температурных полей в образцах простой формы
- •6.2 Метод регулярного режима первого рода
- •6.2.1 Преобразование исходной постановки задачи
- •6.2.2 Решение прямой краевой задачи теплопроводности, лежащей в основе метода регулярного режима первого рода
- •6.2.2.1 Представление решения краевой задачи теплопроводности в виде произведения двух функций
- •6.2.2.2 Свойства решений краевой задачи Штурма-Лиувилля
- •6.2.2.3 Представление решения краевой задачи теплопроводности в виде ряда Фурье
- •6.2.2.4 Сущность регулярного режима первого рода
- •6.2.3 Решение инверсной (обратной) краевой задачи теплопроводности, лежащей в основе методов регулярного режима первого рода
- •6.2.3.1 Установка для измерения теплофизических свойств веществ методом регулярного режима первого рода
- •Цилиндрических (б) и шаровых образцов (в)
- •6.2.3.2 Порядок осуществления измерительных операций
- •6.3 Методы теплофизических измерений, основанные на закономерностях регулярного режима второго рода
- •6.3.1 Метод регулярного режима второго рода для измерения теплофизических свойств плоских образцов
- •6.3.1.1 Физическая модель метода и устройства для его осуществления
- •6.3.1.2 Порядок осуществления измерительных операций
- •6.3.1.3 Математическая модель метода и устройства при нагреве исследуемых образцов постоянным тепловым потоком
- •6.3.1.4 Математическая модель метода и устройства
- •6.3.1.5 Погрешности измерения теплофизических свойств веществ методом регулярного режима второго рода
- •6.3.2 Метод регулярного режима второго рода для двухслойной системы
- •6.3.2.1 Физическая модель метода и устройства для его осуществления
- •6.3.2.2 Порядок осуществления измерительных операций
- •6.3.2.3 Математическая модель относительного варианта метода регулярного режима второго рода и устройства для его осуществления
- •6.3.3 Метод монотонного режима нагрева исследуемых образцов
- •6.3.3.1 Схема устройства для осуществления метода монотонного режима
- •6.3.3.2 Основные расчетные соотношения метода монотонного режима
- •6.3.3.3 Порядок проведения эксперимента при измерении теплопроводности с использованием системы ит-λ-400а
- •6.1 Рекомендуемая высота образца в зависимости от ожидаемой теплопроводности
- •6.4 Измерение теплофизических свойств веществ с применением методов регулярного режима третьего рода
- •6.4.1 Основные способы создания гармонических воздействий на исследуемые образцы
- •6.4.2 Физическая модель простейшего метода регулярного режима третьего рода для измерения коэффициента температуропроводности
- •И на расстоянии х от этой поверхности
- •6.4.3 Математическая модель температурного поля в полуограниченном исследуемом образце в режиме установившихся гармонических колебаний
- •6.4.3.1 Вычисление коэффициента температуропроводности по отношению амплитуд гармонических колебаний, измеренных в двух точках образца
- •6.4.3.2 Вычисление коэффициента температуропроводности по величине сдвига фаз гармонических колебаний в двух точках образца
- •6.4.4 Порядок проведения эксперимента при измерении коэффициента температуропроводности полубесконечного образца исследуемого материала
- •6.4.5 Оценка предельных и среднеквадратичных погрешностей измерения коэффициента температуропроводности
6.3.3.3 Порядок проведения эксперимента при измерении теплопроводности с использованием системы ит-λ-400а
Положенный в основу работы системы ИТ-λ-400А метод монотонного режима позволяет в процессе одного эксперимента получить температурную зависимость теплопроводности λ = λ(Т).
Блок 10 измерения и регулирования (БИР) обеспечивает нагрев измерительного устройства (см. рис. 6.10) со средней скоростью около b 0,1 к/с и автоматическое регулирование нулевой разности температур между стержнем 5 и охранным колпаком 6. Скорость разогрева определяется величиной начального напряжения питания, подаваемого на нагреватель 8, и скоростью изменения во времени этого напряжения. Источником регулируемого напряжения питания нагревателя 8 служит лабораторный автотрансформатор, движок которого перемещается по заданной программе реверсивным электродвигателем с редуктором. Лабораторный автотрансформатор и электродвигатель с редуктором, входящие в состав блока 10 измерения и регулирования (БИР), на рис. 6.10 не показаны.
Для автоматического поддержания адиабатических условий используются термопары 12 и 15, установленные соответственно в стержне 5 и в охранном колпаке 6. Эти термопары 12 и 15 включены встречно, их суммарный сигнал равен нулю, если температура охранного колпака 6 равна температуре стержня 5. Сигнал разбаланса с дифференциально включенных термопар 12, 15 поступает на вход двухпозиционного регулятора (выполненного на базе электронного усилителя), осуществляющего (в зависимости от знака сигнала разбаланса) включение или отключение напряжения питания нагревателя 9, встроенного в охранный колпак 6. Двухпозиционное регулирование позволяет на протяжении всего эксперимента поддерживать равными температуры стержня 5 и охранного колпака 6 с погрешностью не более 0,3 К.
Для измерения температур использованы хромель-алюмелевые термопары 11 – 15 с диаметром электродов 0,2 мм. Электроды термопар в горячей зоне изолированы керамическими двухканальными трубками диаметром около 1 мм. Для повышения механической прочности керамические двухканальные изоляторы армированы трубками из нержавеющей стали.
Использованный в приборе ИТ-λ-400 тепломер выполнен в виде двух пластин 2 и 3 и смонтирован на медном основании 1. Рабочим слоем тепломера является пластина 2 из нержавеющей стали 12Х18Н9Т. Для увеличения теплового сопротивления и снижения теплоемкости в этой пластине высверлены отверстия и профрезерованы канавки. Основание 1, пластина 2 и медная пластина 3 спаяны друг с другом и снабжены шестиспайным хромель-алюмелевым термостолбиком (батареей из трех дифференциальных термопар). Для установки термостолбика в основании 1 и в пластинах 2, 3 предусмотрены отверстия (на рис. 6.10 эти отверстия и термостолбик не показаны).
Предусмотрена возможность охлаждения до температуры –125 С ядра измерительного устройства прибора ИТ-λ-400 за счет использования жидкого азота.
Измерение теплопроводности λ исследуемого материала в заданном диапазоне температур осуществляют в следующем порядке.
1 Изготавливают образец из исследуемого материала в виде цилиндра (диска) диаметром 15 ± 0,3 мм с высотой h в пределах h = 0,5…5 мм.
Высоту h образца выбирают в зависимости от ожидаемого значения теплопроводности λ в соответствии с табл. 6.1.