3 Описание лабораторной установки и

МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

Установка ИТ–λ–400 состоит из блока питания и регулирования (БПР), блока измерительного (БИ) и микровольтметра.

БПР обеспечивает монотонный, со скоростью 0,1 градус в секунду, нагрев измерительной ячейки.

БИ имеет измерительную ячейку (рис. 3.1), верхняя часть которой может подниматься по направляющей и отводится поворотом на 90º в сторону. Это позволяет заменить испытуемый образец. В конструкции предусмотрены каналы и отверстия для подачи жидкого азота при охлаждении ядра ячейки в область отрицательных температур.

На медном основании 1 установлены пластины термометра 2, пластина контактная 3 и образец 4. Образец сверху прижимают медным стержнем 5. Температуры измеряются хромель-алюмелевой термопарами 9, которые защищены стальными трубками.

Тепловой поток поступает от основания 1 через пластины 2, 3, образец 4 и поглощается стержнем 5.

Одновременно нагревателем разогревается охранный колпак 6 и поддерживаются адиабатические условия (нулевая разница температур и отсутствие теплопотери боковыми поверхностями) между деталями 2…5 и колпаком 6. размеры деталей подобраны так, чтобы тепловые потоки, аккумулируемые образцом, были в 10…30 раз меньше теплового потока, поглощаемого стержнем.

В этом случае, температурное поле образца 4 оказывается близким к линейному, стандартному и тепловой поток Ф₀, проходящий через сечение образца, можно записать:

(3.3)

где q₀ - перепад температур на образце, К;

А - площадь поперечного сечения образца, м²;

R₀ - тепловое сопротивление образца, (м²·К)/Вт;

R_к - тепловое сопротивление контактов между образцом и стержнем, образцом и пластиной, заделки термопар, (м²·К)/Вт;

m_o и m_c - массы образца и стержня, кг;

c_o и c_c - удельные теплоемкости образца и стержня, Дж/(кг·К)

- скорость разогрева измерительной ячейки, К/с.

Тепловой поток Ф_т, проходящий через среднее сечение пластины тепломера 2:

, (3.4)

где q_т - перепад температуры на пластине тепломера, К;

к_Т - тепловая проводимость пластины тепломера, Вт/К;

m_Т и m_к - массы пластин тепломера и контактной, кг;

с_Т и с_к - удельные теплоемкости пластин тепломера и контактной, Дж/(кг·К).

Рисунок 3.1 Схема измерительной ячейки прибора: 1 – основание тепломера; 2 – пластина тепломера; 3 – пластина контактная; 4 – образец; 5 – стержень; 6 – колпак охранный; 7 – прижим; 8 – нагреватели; 9 – термопары; 10 – тепловая изоляция (фольга); Ф, Фп, Фо - тепловые потоки основания, пластины, образца.

Тепловой поток тепломера можно определить из Ф₀, введя поправку на разогрев образца - :

Ф_Т=Ф₀×(1+s) (3.5)

Поправка s обычно не превышает 5…10%, поэтому, ее можно определить по ориентировочным данным теплоемкости образца:

(3.6)

На основании зависимостей 5.3…5.6 получим:

, (3.7)

где n₀ и n_Т - перепады температур на образце и тепломере в делениях шкалы.

Величины К_Т и R_К - являются постоянными установки (приведены в таблице 5.2) и определяются по градуировочным экспериментам с образцовыми эталонами теплопроводности из меди и кварцевого стекла.

Теплопроводность образца равна:

, (3.8)

где l - теплопроводность, Вт/(м·К);

h_o - высота образца, м.

Значения теплопроводности относится к средней температуре образца:

, (3.9)

где t_c - температура измерения теплопроводности, С;

A_t - чувствительность хромель-алюмелевой термопары, К/мВ;

- перепад температуры на образце, переведенный в мВ.

Для экспериментального определения теплопроводности методом монотонного нагрева образца, на фиксированных уровнях температуры измеряются в делениях перепады температур на образце n₀ и пластине тепломера n_Т.