CC BY
115
УДК 681.2:536.21
ИЗМЕРИТЕЛИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ КБ «ТЕПЛОФОН»
Ю.И. Беляев1, И.В. Кораблев2, Д.П. Вент1, О.Н. Вепренцева1
Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева (1);
Московский государственный университет инженерной экологии (2)
Представлена членом редколлегии профессором С.В. Мищенко и членом редколлегии спецвыпуска профессором С.В. Пономаревым
Ключевые слова и фразы: измерение теплопроводности; прибор для измерения теплопроводности; способы измерения теплопроводности; теплопроводность твердых материалов.
Аннотация: Описаны измерители теплопроводности твердых материалов системы КБ «Теплофон», принцип действия которых основан на интегральном нестационарном методе измерения теплопроводности в диапазоне 0,1... 400 Вт/(м-К) металлов, металлокерамики, изделий для нанотехнологий, композиционных, строительных и других материалов.
В настоящее время работа большинства существующих приборов для измерения теплопроводности основана на методе стационарного теплового потока. Такие приборы обладают рядом недостатков:
большая продолжительность измерительного цикла;
наличие утечек тепла, что отрицательно сказывается на точности измерений; измерение теплопроводности образцов фиксированной формы и размеров. Нами разработан метод интегрального преобразования уравнения Фурье, позволяющий создавать приборы, лишенные приведенных выше недостатков. Метод относится к нестационарным методам определения теплофизических свойств различных материалов и основан на экспериментальном нахождении температурного поля в теле заданной формы. Рассмотрим работу метода на примере определения коэффициента теплопроводности образца, выполненного в виде прямоугольной пластины (рис. 1). Будем считать, что потери тепла с боковых поверхностей образцов имеют малую величину.
Для тонкой прямоугольной пластины передача тепла подчиняется уравнению линейной теплопроводности
а»(£,о Лм; х е [о, ц. , е [о, т], (1)
н э э,2 ‘ 1 ‘ ь 1 • ь ''
где с, 1 - соответственно коэффициенты объемной теплоемкости и теплопроводности; р - плотность вещества; q(t) - тепловой поток через сечение площадью км>; и(х, /) - температура, как функция длины интервала и времени; к, м> - соответственно толщина и ширина пластины.
Рис. 1
Имеется информация о разности температур, измеренная на границах интер вала [0, Ь], т.е.
и (0, г) - и (Ь, г) = Аы (г),
и количество теплоты, поступающее в пластину за время измерения Т
2 (о, г)=2 ( і )|;=0.
(З)
(З)
Расчетная формула для определения коэффициента теплопроводности может быть получена многократным интегрированием (1) по х и г. После преобразования получаем
Ь х
(0, г) — и (Ь , г) J dt + с р и ( х , г) dx dx\tt=0 . (4)
LQ (t)|t=0
hw
T
= l f['
0
0 0
Наложим условие совпадения температурного поля пластины в моменты
і = 0 и і = Т, т.е.
u(x,0) = u(x,T).
(З)
Тогда с учетом (2), (3) и (5) из (4) выразим коэффициент теплопроводности и, введя калибровочный коэффициент к, определяемый измерением эталонных образцов, получим:
l =
kLQ (t)|t=0
T
hw І А u ( t ) dt
(б)
Расчет теплопроводности по (6) требует, чтобы тепловой поток через пластину был равномерным. На практике при создании прибора это потребовало бы использование нагревательного элемента одинаковой ширины с измеряемым образцом, т.е. прибор позволял бы работать с образцами только одного размера, что не очень практично. Так как зачастую необходимо измерять образцы различных размеров и формы (пластины, диски), то в формуле (6) нельзя напрямую использовать значение ширины образца. Его необходимо заменить параметром геометрической формы Р^), который учитывал бы влияние геометрии образца (размеры, форма) на результаты измерений. Для этого нами измерялись значения теплопроводности набора образцов выполненных из меди, алюминия, углеродистой (марка 15) и хромоникелевой (марка 10Х18Н9Т) стали в виде пластин размерами 5 х 7, 10 х 12, 15 х 17, 20 х 25, 30 х 35, 40 х 50 мм толщины 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм и дисков диаметрами 5, 7, 10, 12, 15, 17, 20, 25, 30, 35, 40, 50 мм толщины 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм. В результате проведенных исследований было установлено, что параметр Р^) зависит только от размеров (длина, ширина, диаметр) и формы (пластина, диск) образца (рис. 2) и не зависит от теплопроводности образца и его толщины.
РМ.
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0,5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 и>, мм
Рис. 2
Заменив в (6) w на Е^)
кьг (w) д а )\ *=Т
1 =-----т------------'
И | Аы (/) Ж ( )
0
Полученная таким образом формула позволяет вычислять коэффициент теплопроводности образцов с любыми параметрами геометрии.
На основе проведенных исследований нами создан уникальный по точности, удобству и быстродействию компьютерный измеритель теплопроводности КИТ-02Ц (рис. 3).
Прибор предназначен для измерения теплопроводности металлов, металлокерамики и других материалов в диапазоне от 10 до 600 Вт/(м-К). Пределы допускаемой основной погрешности составляют < 5 %, а повторяемость показаний < 2 %. Подготовка прибора к измерению и непосредственно сам процесс измерения занимают не более 2 минут. Перед измерением не нужно проводить предварительную подготовку образцов и нарушать целостность образца, например, сверлить отверстия для укладки термопар, т. е. прибор позволяет проводить поточное измерение теплопроводности. Прибор позволяет измерять теплопроводность образцов, выполненных в форме прямоугольных пластин размерами от 5 х 5 мм толщиной от 0,5 до 2 мм или дисков диаметром от 5 мм аналогичной толщины.
Прибор состоит из следующих компонентов: теплоизмерительная ячейка, электронный блок, компьютер с платой АЦП и программным обеспечением.
Принцип действия прибора основан на импульсном нагреве и отводе тепла в теплоприемник. С помощью дифференциальной термопары с образца снимается разность температур. Электронный блок усиливает сигнал, поступающий с теплоизмерительной ячейки, и передает его на плату АЦП компьютера. Программа осуществляет обработку данных на основе информации о температуре образца и количестве тепла, поступившего в образец.
Теплоизмерительная ячейка предназначена для нагрева и охлаждения образца, а также для съема с образца данных о его температуре.
В теплофизических измерениях при контактном способе измерения большое влияние на результаты оказывают контактные термические сопротивления. Разработанная нами конструкция блока термопар обеспечивает надежный контакт тер-
Рис. 3
мопар с образцом. Для этого блок термопар обладает тремя степенями свободы перемещения в пространстве. Для удобства укладки образцов колпак теплоизмерительной ячейки с блоком термопар выполнен поворачивающимся, поэтому сам процесс подготовки ячейки к измерению занимает считанные секунды.
Электронный блок предназначен для усиления и передачи на плату АЦП компьютера сигнала, поступающего с теплоизмерительной ячейки.
Программное обеспечение, входящее в состав прибора, реализует специальную методику математической обработки результатов, учитывающую параметры геометрии образцов, потери тепла в процессе измерения и позволяющую добиться высокой точности и скорости работы прибора. Программное обеспечение позволяет полностью управлять процессом измерения, просматривать, анализировать и сохранять результаты измерений в файлы, а также печатать отобранные результаты в виде таблиц с указанием времени и даты проведения измерений, номера, размера, вида материала, значений теплопроводности.
На базе компьютерного измерителя теплопроводности КИТ-02Ц нами созданы модификация прибора для измерения теплопроводности пленочных покрытий, нанесенных или напыленных на металлическое основание толщиной 10...100 мкм.
Нашей последней разработкой является модификация прибора КИТ-03А для измерения теплопроводности строительных материалов (кирпичи, плиты, панели и т.д.) и конструкций (стены, перекрытия и т.д.). Структурно он повторяет компьютерный измеритель теплопроводности КИТ-02Ц и обладает всеми его достоинствами, но имеет отличающуюся конструкцию датчика. Вместо теплоизмерительной ячейки используется теплоизмерительный зонд (рис. 4).
Из приведенного выше следует, что прибор при помощи размещаемых на поверхности изделия теплоизмерительных зондов с различными диаметрами нагревателя позволяет измерять теплопроводность материала изделия на различную глубину, не нарушая при этом его целостности.
Список литературы
1. Беляев, Ю.И. Помехоустойчивый контроль параметров полей в системах экологического мониторинга / Ю.И. Беляев, И.В. Кораблев, Д.П. Вент // Приборы. - 2003. № 1 (31). - С. 35 - 38.
Measuring Instruments of Heat Conductivity of Solid Materials of the KB “Teplofon” System
Yu.I. Belyaev1, I.V. Korablyov2, D.P. Vent1, O.N. Veprentseva1
Novomoskovsk Institute of Russian Chemical Technological University after D.I. Mendeleyev (1);
Moscow State University of Environmental Engineering (2)
Key words and phrases: heat conductivity measurement; device for measuring heat conductivity; ways of measuring heat conductivity; heat conductivity of solid materials.
образец
Рис. 4
Abstract: Heat conductivity of solid materials of the KB “Teplofon” system are described; their working principle is based on integral non-stationary method of measuring heat conductivity of metals, cermet, items for nanotechnology, composite, building and other materials in the range from 0,1 to 400 W/(m-K).
Messer der Warmeleitfahigkeit der Hartstoffe des KB „Warmephon” Systems
Zusammenfassung: Es sind die Leitfahigkeiten der Hartstoffe des KB „Warme-phon“-Systems beschrieben. Das Funktionsprinzip grundet sich auf die integrierten un-stazionaren Methode der Messung der Leitfahigkeit der Metallen, der Metallkeramik, der Erzeugnisse fur Nanotechnologien, der Kompositions- und Baumaterialien im Be-reich von 0,1 bis 400 W/(m-K).
Mesureurs de la conductibilite thermique des materiaux solides du systeme KB “Thermophone”
Resume: Sont decrites les conductibilites thermiques des materiaux solides du systeme KB “Thermophone”, dont le principe du fonctionnement est fonde par la methode integrale non-stationnaire de la mesure de la conductibilite thermique dans la gamme de 0,1 jusqu’a 400 W/(m-K) des metaux, de la metalloceramique, des articles pour des nanotechnologies, pour les materiaux composites, materiaux de construction et d’autres.
