книги из ГПНТБ / Коротков П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин

туемом образце, пропускают электрический ток в течение корот­

Метод включает в себя разновидности — абсолютные и сравни­ тельные методы. В свою очередь сравнительные методы имеют модификации.

Используя названный метод, можно проводить опыты с раз­

ния тепловых коэффициентов почвы, которая принималась за неограниченную среду. Действие идеального мгновенного источ­ ника тепла реализовалось в виде теплоотдачи предварительно нагретой до 60—70° С латунной пластинки размером 150x300 мм.

Формула для определения коэффициента температуропровод­ ности является условием максимума температуры в точке, где устанавливается термоприемник, находящийся на расстоянии х от источника:

(111.27)

2Тшах

Здесь т т а х — время, прошедшее от момента включения источника до момента достижения максимума температуры.

Количество тепла Q, развиваемое мгновенным источником, можно выразить исходя из теплоемкости с, плотности р, повыше­

Экспериментально это количество тепла, которое отдается пласти­

150

Коэффициент теплопроводности находится из (III.3), (III.27) и (III.30).

Время наблюдения составляет несколько минут. Сравнительный метод мгновенного источника тепла имеет

несколько модификаций [36, 48, 49], отличающихся друг от друга взаимным расположением спаев термопар и нагревателей.

Рассмотрим три модификации метода. В основе всех их лежит решение задачи охлаждения неограниченной пластины в неогра-

Рис. 86. Схемы измерения а, Я и с по двум модификациям ме­ тода мгновенного источника тепла

ничейной среде при наличии мгновенного плоского источника тепла в середине пластины.

В первой модификации испытуемый образец (рис. 86, а) со­ стоит из двух пластин /, между которыми устанавливается тонкая пластинка — нагреватель 2. Образец помещается между этало­ нами 3, в один из которых устанавливаются спаи дифференциаль­ ной термопары [48].

Во второй модификации пластинки образца (рис. 86, б) разде­ лены между собой пластинками из эталонного материала, между которыми помещен нагреватель. Спаи дифференциальной термо­ пары также помещены в эталонном параллелепипеде.

Таким образом, при использовании обеих модификаций в тело

муле

а э б 2

(V 2а8 тт а х — х + б)2 '

151

где х, б и аэ — соответственно расстояние от источника до спая термопары, толщина пластинки образца и температуропровод­

где

П: a3Q (2 А / 5 1 / а э я с т т а х ) .

В третьей модификации метода на границе соприкосновения образца и эталона (рис. 87) помещается спай дополнительной диф­ ференциальной термопары [36]. Для коэффициента температуро­ проводности метод является абсолютным, так как для его опреде­ ления используется формула

с первыми двумя модификациями в этом случае максимум темпе­ ратуры выражается более четко,

152

Одной из реализаций метода мгновенного источника тепла является прибор для определения из одного опыта коэффициентов а, X и с пластмасс, асбеста, картона и других материалов [14].

Особенность прибора заключается в том, что термопары поме­ щаются на границе между испытуемым образцом и корпусом при­ бора. Благодаря этому продолжительность опыта значительно сокращается, так как время достижения максимальной темпера­ туры, необходимой для расчетов, также уменьшается.

Испытуемый образец 3 (рис. 88, а) имеет форму цилиндра. Он закладывается в металлический корпус 2, состоящий из

двух частей — верхней и нижней.

a)f

Рис. 88. Схемы корпуса прибора (а) и установки (б) для определения коэффициентов а, X и с пластмасс и других изоляционных материалов по методу мгновенного источника тепла

Внутри образца по его оси установлен нагреватель 4. В зави­ симости от материала и размеров образца нагреватель включается на время 1—3 с. Продолжительность времени его включения контролируется двумя секундомерами — ручным пружинным и электрическим 1 (рис. 88, б). Температура измеряется дифтермопарой 1 (рис. 88, а) и милливольтметром.

электрическим секундомером / (рис. 88, б), включенным в цепь питания нагревателя 2. Мощность нагрева устанавливается авто­

По этой модификации метода сначала определяется тепло­ проводность, а затем теплоемкость.

153

Формула для определения к выводится из (Ш.16) и имеет

вид

'шах <-> 1 шах

Здесь А — коэффициент, учитывающий различие материалов образца и корпуса прибора; U — напряжение на концах нагрева­ теля.

Значение А определяется опытным путем по эталону:

дЯ-э^тах А т т а х

По описанной в [12] методике исследовались материалы типа льдов, порошков, льдообразных композиционных систем и т. д.

Разновидностью метода мгновенного источника условно можно назвать так называемый метод эталона неограниченной протяжен­ ности [55]. В этом случае специальный электрический нагреватель отсутствует, а в качестве источника тепла служит сам образец — порция сыпучего материала (зерно, мука какао, и другие порошки).

Комплексное определение из одного опыта выполняется в [47 ] также с помощью решения задачи нагревания неоднородного тела, находящегося в термическом контакте с другим телом. Специаль­ ный нагреватель при исследовании сыпучих материалов отсут­ ствует. Эталонный параллелепипед из бетона (а-калориметр) размером 300x 150x 140 мм в середине имеет полость объемом 300 см3 , в которую сверху досыпается материал с более высокой

Опыт длится 20—30 мин. Сравнительно большая длительность засыпки материала в щель вызывает потери тепла и неравномерное распределение температуры по плоскости соприкосновения, что не дает возможности строго выполнить граничные условия.

В другой модификации метода [55] измерение теплофизических свойств сыпучих материалов производилось в широком диапазоне

154

изменения температуры. Исследуемый материал загружался в щель цилиндрической формы в соответствии с решением задачи охлаж­ дения цилиндра в неорганиченной среде — эталоне.

2 0 . М Е Т О Д И М П У Л Ь С Н О Г О И С Т О Ч Н И К А Т Е П Л А

Сущность метода заключается в том, что образец с температу­

и диаметром 0,05—0,1 мм (рис. 89). Нить нагревается током мощ­ ностью Р. На расстоянии / = 4-нб мм по обе стороны от нити

кратковременного линейного теплового источника конечной дли­

ш т а х

—Р

СР - л / 2 Д < т а х Ф с ( Г

155

идля различных целей.

Вслучаях термо- и гидростатирования образца температур­ ный максимум можно определять по одной термопаре. Нагрева-

шириной 0,2 мм, либо между пластинками листовых образцов. Метод модифицируется в относительный путем укладки оди­

наковых систем в исследуемый и эталонный материалы. Модификацией импульсного метода является метод определе­

ния коэффициентов по произвольному моменту времени т г и соответствующей ему избыточной температуре Att. Коэффициенты могут быть найдены расчетным путем по формулам или путем графического дифференцирования графика, записанного электрон­ ным потенциометром.

в пространстве и времени. Для первой из модификаций указы­

156

величина часто входит в различные тепловые расчеты, поэтому она, так же как и температуропроводность, представляет само­ стоятельный интерес. Кроме того, тепловая активность позволяет

по определению теплопроводности жидкостей стационарными ме­

Метод измерения нестационарной тепловой активности жидко­ стей заключается в следующем. На поверхность образца наносится тонкопленочный термоприемник. Во время измерения на него помещается капля исследуемой смеси. Через термоприемник пропускается импульс тока прямоугольной формы и определенной длительности. Изменение температуры термоприемника реги­ стрируется осциллографом. Термоприемник включается в схему

емкостью металлической пленки можно пренебречь и рассматри­ вать одномерную задачу.

исследования теплофизических характеристик вязких жидкостей (жидкий каучук, карбоксиметилцеллюлоза и др.) в диапазоне температур от 20 до 180° С и под высоким давлением насыщенных паров в замкнутом объеме.

Нагреватель выполнен в виде спирали диаметром 1 мм из манганиновой проволоки диаметром 0,1 мм и сопротивлением 100 Ом. В качестве термоприемника служит медное сопротивле­ ние из проволоки диаметром 0,1 мм и сопротивлением 5 Ом. Оба элемента намотаны бифлярно друг другу и вставлены в тонкую стеклянную трубку, заполненную затем кремнийорганической смолой. В момент включения нагревателя сопротивление термо­ приемника увеличивается, что фиксируется электронным прибо­

157

лов в виде образцов малых размеров (от 3 X 3 x 1 до 5 x 5 x 5 мм). Нагреватель выполнен в виде серебряной пленки на кварцевом эталоне. Температура измеряется либо точечным микротермистором, либо угольным болометром. Тепловые импульсы длитель­ ностью не более 1 мс подаются от конденсатора, управляемого тиристорным выключателем.

21. М Е Т О Д Т Е М П Е Р А Т У Р Н Ы Х В О Л Н

Этот метод находит применение для определения температуро­ проводности главным образом металлов в условиях низких тем­ ператур. Из одного опыта по этому методу можно определить зна­ чение а только при одной фиксированной точке.

Сущность метода заключается в следующем. Если в образце установить нагреватель, мощность которого изменяется по гармо­ ническому закону, то в образце установятся гармонические коле­ бания температуры той же частоты с амплитудой и фазой, зави­ сящими от координат теплоприемника.

Обычно в качестве теплоприемников применяются две термо­ пары, спаи которых закладываются в двух точках образца. Пусть температура t образца в точке, где установлен нагреватель, со­ вершает колебания около своего среднего значения в соответствии

В работе [45] показывается возможность определения а и Я, методом температурных волн без введения термоприемника в об­ разец. Для этого необходимо либо двукратное измерение на раз-

158

ных частотах, что нежелательно, либо однократное измерение частоты с дальнейшим использованием при обработке результа­ тов измерения амплитудных и фазовых соотношений регистрируе­ мых температурных колебаний.

Метод температурных волн для случаев цилиндрического и плоского термопреобразователей был применен также для изме­ рения тепловой активности жидкостей [62].

Сущность данной разновидности метода заключается в том, что при нагреве малоинерционного термопреобразователя в виде плоской фольги или тонкой проволоки переменным током с ча­ стотой / его сопротивление пульсирует с удвоенной частотой 2f. Колебания сопротивления приводят, в свою очередь, к появле­ нию компонента переменного тока утроенной частоты 3/. Для определения тепловой активности могут быть использованы либо колебания амплитуды напряжения, либо сдвиг по фазе напря­ жения относительно колебаний температуры термоэлемента.

Первичный преобразователь прибора состоит из измеритель­ ного капилляра и туго натянутого внутри него термоэлемента в виде фольги с размерами 120x1,5x0,01 мм или вольфрамовой нити диаметром 0,015 мм.

Внутри трубки циркулирует термостатирующая жидкость. Преобразователь включен как плечо в мост Вина, другими пле­ чами которого служат безындукционные сопротивления. Мост питается от звукового генератора. К измерительной диагонали присоединен микровольтметр типа В6-4.

Вариант метода температурных волн для измерения тепловой активности жидкостей описан в [112]. Приемный преобразова­ тель представляет собой капилляр диаметром 1 мм, внутри ко­ торого натянута вольфрамовая нить диаметром 0,02 мм. Нить нагревается током, содержащим переменную и постоянную состав­ ляющие. Тепловая активность вещества, находящегося в капил­ ляре, определяется по величине емкости конденсатора, баланси­ рующего реактивную составляющую сопротивления нити, вклю­ ченной в мостовую схему.

159