RU2722088C1 - Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2722088C1
RU2722088C1 RU2019113985A RU2019113985A RU2722088C1 RU 2722088 C1 RU2722088 C1 RU 2722088C1 RU 2019113985 A RU2019113985 A RU 2019113985A RU 2019113985 A RU2019113985 A RU 2019113985A RU 2722088 C1 RU2722088 C1 RU 2722088C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
temperature
resistant material
reference object
objects
Prior art date
Application number
RU2019113985A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Николаевич Балалаев
Мария Анатольевна Паренюк
Дмитрий Михайлович Тимкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС)
Priority to RU2019113985A priority Critical patent/RU2722088C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2722088C1 publication Critical patent/RU2722088C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов с большой внутренней неоднородностью, преимущественно вакуумных теплоизоляционных изделий. В изобретении тепловой поток формируют источником тепловыделения. Первую часть теплового потока пропускают сначала через первый эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через исследуемый объект. Измеряют зависимость температуры первого эталонного объекта от времени. Пропускают вторую часть теплового потока сначала через второй эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через термостойкий материал. Измеряют зависимость температуры второго эталонного объекта от времени. Определяют температуру окружающей среды и интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину при семи различных уровнях начальных температур первого и второго эталонных объектов. Подставляют величины разностей интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, и величину температуры окружающей среды в уравнения, имеющие обобщенный вид:
Figure 00000040
где i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, а затем решают систему из семи уравнений с помощью вычислительного устройства относительно семи неизвестных величин αh1, αh2, α1, α2, χ, W и Ru, последняя из которых представляет собой удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта. Технический результат - повышение точности измерения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов с большой внутренней неоднородностью, преимущественно вакуумных теплоизоляционных изделий.
Известен способ измерения удельного теплового сопротивления, заключающийся в формировании теплового потока, пропускании теплового потока через первый эталонный объект, затем от внутренней поверхности исследуемого объекта к наружной поверхности исследуемого объекта, измерении зависимости от времени температуры внутренней поверхности исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, измерении зависимости от времени температуры наружной поверхности исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, пропускании теплового потока после исследуемого объекта через второй эталонный объект, измерении зависимости от времени температуры поверхности первого эталонного объекта в области входа теплового потока в первый эталонный объект и измерении зависимости от времени температуры поверхности второго эталонного объекта в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта, определении перепадов температур с использованием первого эталонного объекта и второго эталонного объекта, с учетом которых определяют тепловые потери и величину удельного теплового сопротивления [см. патент РФ №2330270, кл. G01N 25/18, опубл. 27.07.2008 Бюл. №21, «Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления», авторы: Е.В. Абрамова и др.].
Известно устройство, содержащее источник тепловой энергии, вырабатывающий тепловой поток, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, третий измеритель температуры, четвертый измеритель температуры, электронный блок обработки, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом электронного блока обработки, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом электронного блока обработки, первый эталонный объект и второй эталонный объект, при этом обеспечивается прохождение теплового потока последовательно через первый эталонный объект, исследуемый объект и второй эталонный объект, первый измеритель температуры размещен между наружной поверхностью источника тепловой энергии и наружной поверхностью первого эталонного объекта в области прохождения теплового потока, второй измеритель температуры размещен между наружной поверхностью первого эталонного объекта и внутренней поверхностью исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, третий измеритель температуры размещен между наружной поверхностью исследуемого объекта и примыкающей к ней наружной поверхностью второго эталонного объекта в области прохождения теплового потока, четвертый измеритель температуры размещен на наружной поверхности второго эталонного объекта в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта, причем электронный блок обработки обеспечивает возможность вычисления удельного теплового сопротивления по сигналам от первого, второго, третьего и четвертого измерителей температуры [см. патент РФ №2330270, кл. G01N 25/18, опубл. 27.07.2008 Бюл. №21, «Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления», авторы: Е.В. Абрамова и др.].
Недостаток данного способа и устройства заключается в низкой точности измерения удельного теплового сопротивления измеряемого объекта по результатам измерения температур с помощью термопар, размещенных на границах эталонных объектов, так как на границах твердых тел существует скачок температуры, вызванный микронеровностями поверхностей, поэтому большей точностью обладает замер температуры термопарой, размещенной внутри твердого тела, а не на его поверхности.
Наиболее близким техническим решением является способ измерения удельного теплового сопротивления, заключающийся в формировании теплового потока источником тепловыделения; пропускании одной части теплового потока через измеряемый объект, а другой части теплового потока через термостойкий материал; в измерении с помощью, по меньшей мере, пары дифференциальных термопар значения напряжения, возникающего из-за разности температур между двумя точками на термостойком материале; вычислении с помощью вычислительного устройства скорости, с которой выходное напряжение дифференциальных термопар изменяется во времени; и вычислении удельного теплового сопротивления измеряемого объекта с помощью уравнения (1):
Figure 00000001
где X - удельное тепловое сопротивление измеряемого объекта, Y - скорость изменения выходного напряжения дифференциальной термопары, а и b - константы, полученные путем применения результата измерения с использованием двух или более видов материалов с известным удельным тепловым сопротивлением к формуле (1) [см. патент WO 2018100608 (А1), МПК: G01N 25/18, опубл. 07.06.2018, «Thermal conductivity measurement device, thermal conductivity measurement method, and vacuum evaluation device», авторы: Hasegawa Toshikazu и др.].
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство, содержащее источник тепловыделения, расположенный так, чтобы он контактировал с измеряемым объектом; термостойкий материал, расположенный таким образом, чтобы он контактировал с источником тепловыделения; по меньшей мере, пару дифференциальных термопар для измерения значения напряжения, возникающего из-за разности температур между двумя точками на термостойком материале, причем, эта разница генерируется потоком тепла от источника тепловыделения; вычислительное устройство для вычисления скорости, с которой выходное напряжение дифференциальных термопар изменяется во времени, и для вычисления удельного теплового сопротивления объекта, подлежащего измерению [см. патент WO 2018100608 (А1), МПК: G01N 25/18, опубл. 07.06.2018, «Thermal conductivity measurement device, thermal conductivity measurement method, and vacuum evaluation device», авторы: Hasegawa Toshikazu и др.].
Недостаток данного способа и устройства заключается в низкой точности измерения удельного теплового сопротивления измеряемого объекта, так как предполагается постоянство констант а и b в формуле (1) для различных видов материалов с известным удельным тепловым сопротивлением и для измеряемого объекта, например, вакуумного теплоизоляционного изделия, которое может обладать существенной неоднородностью и анизотропией теплофизических свойств и другим значением теплоемкости. Кроме того, данный способ не предусматривает установления регулярного теплового режима, что также снижает точность метода.
Техническим результатом предлагаемого способа измерения удельного теплового сопротивления и устройства для его осуществления является повышение точности измерения удельного теплового сопротивления измеряемого объекта при испытаниях исследуемого объекта с большой внутренней неоднородностью и анизотропией теплофизических свойств, например, вакуумного теплоизоляционного изделия.
Технический результат в соответствии с п. 1 формулы изобретения достигается тем, что в известном способе, заключающимся в формировании теплового потока источником тепловыделения; пропускании первой части теплового потока через измеряемый объект, а второй части теплового потока через термостойкий материал, согласно изобретению, первую часть теплового потока пропускают сначала через первый эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через исследуемый объект; измеряют зависимость температуры первого эталонного объекта от времени; пропускают вторую часть теплового потока сначала через второй эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через термостойкий материал; измеряют зависимость температуры второго эталонного объекта от времени; определяют температуру окружающей среды и интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину при семи различных уровнях начальных температур первого и второго эталонных объектов; подставляют величины разностей интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, и величину температуры окружающей среды в уравнения, имеющие обобщенный вид:
Figure 00000002
где
Figure 00000003
,
Figure 00000004
- интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на ΔT градусов при i-м уровне начальной температуры первого эталонного объекта и второго эталонного объекта;
i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7;
Figure 00000005
B1=χ⋅W;
Figure 00000006
Figure 00000007
B2=(1-χ)⋅W;
Figure 00000008
Ms1, Ms2, Ms3, Mu - масса первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
cs1, cs2, cs3, cu - удельная теплоемкость первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
Rs1, Rs2, Rs3, Ru - удельные тепловые сопротивления первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
W - тепловая мощность источника тепловыделения;
Th - температура окружающей среды;
Fts1, Fts2, Fts3, Fu - площадь торцевой поверхности первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
F - площадь поверхности контакта всех объектов между собой;
Figure 00000009
,
Figure 00000010
- температура начала замера времени при i-м уровне начальной температуры соответственно первого эталонного объекта и второго эталонного объекта;
ΔT - заданный интервал температуры;
αh1, αh2 - коэффициенты теплоотдачи окружающей среды вблизи поверхностей измеряемого объекта и термостойкого материала, α1, α2 - коэффициенты пропорциональности среднемассовой температуры объекта измерения и термостойкого материала температурам на границах этих объектов, χ - отношение теплового потока через границу первого эталонного объекта с источником тепловыделения к суммарному тепловому потоку через границы первого и второго эталонных объектов с источником тепловыделения; а затем решают систему из семи уравнений с помощью вычислительного устройства относительно семи неизвестных величин αh1, αh2, α1, α2, χ, W и Ru, последняя из которых представляет собой искомую величину - удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта.
Такой вариант реализации заявленного способа позволяет повысить точность измерения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта с большой внутренней неоднородностью за счет того, что измеряют с течением времени среднемассовую температуру первого и второго эталонных объектов с большой величиной теплопроводности, размещенных по обе стороны источника тепловыделения между ним и с одной стороны измеряемым объектом, а с другой стороны термостойким материалом; определяют интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину; решают с помощью вычислительного устройства систему из семи уравнений при подстановке в них результатов семи измерений интервалов времени. Указанные отличия предложенного изобретения позволяют исключить использование других материалов с известным удельным тепловым сопротивлением для нахождения неизвестных констант в решаемых уравнениях при расчетном определении теплового сопротивления исследуемого объекта, что повышает точность его нахождения.
Технический результат в соответствии с п. 2 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее источник тепловыделения, вырабатывающий тепловой поток, термостойкий материал, вычислительное устройство и исследуемый объект, дополнительно введены три измерителя температуры, электронный блок обработки, первый и второй эталонные объекты, которые размещены с двух противоположных сторон от источника тепловыделения и выполнены из материала с большой величиной теплопроводности, исследуемый объект расположен прилегающим к первому эталонному объекту, термостойкий материал расположен прилегающим к второму эталонному объекту, первый измеритель температуры размещен внутри первого эталонного объекта в середине его толщины, второй измеритель температуры размещен внутри второго эталонного объекта в середине его толщины, третий измеритель температуры размещен в окружающей среде, выходы первого, второго и третьего измерителей температуры соединены с входами электронного блока обработки, выход электронного блока обработки соединен с входом вычислительного устройства.
Такой вариант выполнения заявленного устройства для измерения удельного теплового сопротивления позволяет повысить точность измерения за счет измерения температуры не на границах твердых тел, а внутри двух эталонных объектов и за счет расчета удельного теплового сопротивления с помощью вычислительного устройства путем решения системы из семи уравнений при подстановке в них результатов семи измерений интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину. Возможность определения удельного теплового сопротивления расчетным путем обеспечивается исполнением первого и второго эталонных объектов из материала с известным коэффициентом теплопроводности большой величины, а термостойкого материала с известным коэффициентом теплопроводности малой величины. Известные геометрические размеры всех объектов и теплофизические свойства первого и второго эталонных объектов и термостойкого материала позволяют выразить зависимость разности интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, от удельного теплового сопротивления исследуемого объекта в виде уравнения.
То, что поставленная задача изобретения действительно решается в заявленных способе и устройстве, можно проиллюстрировать следующим образом.
В качестве источника тепловой энергии в заявленных способе и устройстве используется плоский преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. При этом в прилегающие к нему с двух сторон первый и второй эталонные объекты с поверхностями контакта, одинаковыми с поверхностями контакта источника тепловыделения, поступают удельные тепловые потоки, соответственно q1 и q2. Так как первый и второй измерители температуры размещены в серединах толщины первого и второго эталонных объектов, а коэффициенты теплопроводности этих объектов велики, то измеряемые температуры в геометрических центрах этих объектов можно принять за среднемассовые. В этом случае для первого и второго эталонных объектов через некоторое время (около 2 минут) наступает регулярный тепловой режим первого рода, для которого уравнение теплового баланса принимает вид обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка:
- для первого эталонного объекта:
Figure 00000011
- для второго эталонного объекта:
Figure 00000012
Уравнения теплового баланса дополняются выражениями для удельных тепловых потоков от источника тепловыделения:
Figure 00000013
Figure 00000014
граничными условиями:
- для границы между первым эталонным объектом и измеряемым объектом:
Figure 00000015
- для границы между измеряемым объектом и окружающей средой:
Figure 00000016
- для границы между вторым эталонным объектом и термостойким материалом:
Figure 00000017
- для границы между термостойким материалом и окружающей средой:
Figure 00000018
выражениями для среднемассовых температур, определяемых по температурам на границах объектов:
- для измеряемого объекта:
Figure 00000019
- для термостойкого материала:
Figure 00000020
выражениями для тепловых сопротивлений: - для первого эталонных объекта:
Figure 00000021
- для второго эталонного объекта:
Figure 00000022
- для термостойкого материала:
Figure 00000023
- для окружающей среды со стороны измеряемого объекта:
Figure 00000024
- для окружающей среды со стороны термостойкого материала:
Figure 00000025
Дифференциальные уравнения тепловых балансов (2) и (3) могут быть разрешены относительно промежутков времени, за которые температуры первого и второго эталонных объектов повышаются на заданную величину при использовании выражений (4)-(16):
Figure 00000026
Figure 00000027
где
Figure 00000028
Figure 00000029
Figure 00000030
Figure 00000031
Figure 00000032
Figure 00000033
Известными величинами в полученных выражениях являются:
Ms1, Ms2, Ms3, Mu - масса первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
cs1, cs2, cs3, cu - удельная теплоемкость первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
δs1, δs2, δs3, δu - толщина первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
λs1, λs2, λs3, - коэффициент теплопроводности первого и второго эталонных объектов и термостойкого материала;
Th - температура окружающей среды;
Fts1, Fts2, Fts3, Fu - площадь торцевой поверхности первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
F - площадь поверхности контакта всех объектов между собой.
Задаваемыми величинами являются:
Ts1 нач, Ts2 нач - температура первого и второго эталонных объектов в начале замера времени;
Ts1 кон, Ts1 кон - температура первого и второго эталонных объектов в конце замера времени.
Неизвестными величинами являются:
Ru, - удельное тепловое сопротивление измеряемого объекта;
αh1, αh2 - коэффициенты теплоотдачи окружающей среды вблизи поверхностей измеряемого объекта и термостойкого материала;
α1, α2 - коэффициенты пропорциональности среднемассовой температуры измеряемого объекта и термостойкого материала температурам на границах этих объектов;
χ - отношение теплового потока через границу первого эталонного объекта с источником тепловыделения к суммарному тепловому потоку через границы первого и второго эталонных объектов с источником тепловыделения;
W - тепловая мощность источника тепловыделения.
Для определения неизвестных величин необходимо составить семь уравнений с использованием семи различных результатов измерений. Уравнения можно получить, если для объекта измерения провести измерения величин Δτs1 и Δτs2 при задании семи уровней температур начала отсчета времени. На i-м уровне температуры начала отсчета времени, например, Ts1 начi= Ts1 начi=Th+i⋅ΔТ0 задается температура окончания отсчета времени, например, Ts1 конi= Ts1 конi =Th+i⋅ΔT0+ΔT, проводятся измерения промежутков времени Δτs1 i и Δτs2 i, которые подставляются в левую часть формируемого уравнения, данный процесс выполняется для i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, в результате составляется система из семи уравнений вида:
Figure 00000034
в которых семь неизвестных: αh1, αh2, α1, α2, χ, W и величина удельного теплового сопротивления объекта измерений Ru. Величина ΔТ0 принимается такой, чтобы в экспериментах обеспечивалось различие в левых частях всех уравнений (25), например, ΔТ0=2 градуса Цельсия. Величина ΔT принимается такой, чтобы в экспериментах обеспечивалась достаточная относительная погрешность определения интервалов времени Δτs2 и Δτs1. Для абсолютной погрешности измерения времени в 1 секунду разность величин Δτs2 и Δτs1 в 20 секунд, обеспечивающая относительную погрешность измерения времени 5%, достигается при величине ΔT равной 10-15 градусов Цельсия.
Итак, задача изобретения действительно решается в заявленных способе измерения удельного теплового сопротивления и устройстве для его осуществления.
На чертеже представлен вид конструктивного исполнения предложенного изобретения с местным разрезом.
Позиции на чертеже - источник тепловыделения; 2 - первый эталонный объект; 3 - первый измеритель температуры; 4 - второй эталонный объект; 5 - второй измеритель температуры; 6 - исследуемый объект; 7 - термостойкий материал; 8 - третий измеритель температуры; 9 - электронный блок обработки измерений; 10 - вычислительное устройство.
Способ по п. 1 формулы изобретения осуществляется следующим образом. Источник тепловыделения 1 получает от внешнего источника электрической энергии электрическую мощность, которая преобразуется с потерями в окружающую среду в тепловой поток мощностью W и разделяется на два потока, один из которых мощностью χ⋅W входит в первый эталонный объект 2 по поверхности площадью F, температуру которого измеряют с помощью измерителя температуры 3, расположенного в середине его толщины. Первый тепловой поток частично расходуется на нагрев первого эталонного объекта 2, частично выходит в окружающую среду через его торцевую поверхность и частично входит в исследуемый объект 6 по поверхности площадью F. Второй тепловой поток мощностью (1-χ)⋅W входит во второй эталонный объект 4 по поверхности площадью F, температуру которого измеряют с помощью измерителя температуры 5, расположенного в середине его толщины. Второй тепловой поток частично расходуется на нагрев второго эталонного объекта 4, частично выходит в окружающую среду через его торцевую поверхность и частично входит в термостойкий материал 7 по поверхности площадью F. Так как площади всех теплопередающих поверхностей на границах соприкасания первого эталонного объекта 2 с исследуемым объектом 6 и второго эталонного объекта 4 с термостойким материалом 7 одинаковы, а площади торцевых поверхностей первого 2 и второго 4 эталонных объектов значительно меньше площади F, скорости изменения температур, измеряемых измерителями температур 3 и 5, будут различны при различии удельных тепловых сопротивлений исследуемого объекта 6 и термостойкого материала 7. Температура первого эталонного объекта 2 будет возрастать тем быстрее, чем больше тепловое сопротивление исследуемого объекта 6.
Через некоторое время, например, через 1-2 минуты после формирования теплового потока источником тепловыделения 1 наступает регулярный тепловой режим, характеризующийся тем, что вид распределения температуры по толщине первого 2 и второго 4 эталонных объектов остается подобным с течением времени [Суслов В.А. Тепломассообмен: учеб. пособие / СПбГУПТД ВШ ТиЭ. СПб., 2016. Часть 1. - 98 с: ил. 58.]. Тепловой баланс первого эталонного объекта 2 описывается дифференциальным уравнением (2). Тепловой второго эталонного объекта 4 описывается дифференциальным уравнением (3). Первый эталонный объект 2 и второй эталонный объект 4 выполнены из материалов с высоким значением коэффициента теплопроводности, например, из алюминиевого сплава, что гарантирует выравнивание температуры по длине и ширене первого 2 и второго 4 эталонных объектов. Так как рабочие органы первого измерителя температуры 3 и второго измерителя температуры 5 располагаются в серединах толщины соответственно первого 2 и второго 4 эталонных объектов, то измеренные значения температуры с помощью первого измерителя температуры 3 и второго измерителя температуры 5 отражают среднемассовые значения температуры первого 2 и второго 4 эталонных объектов.
С помощью измерителя температуры 8 замеряют температуру окружаюей среды. С помощью электронного блока 9 электрические сигналы с измерителей температуры 3, 5 и 8 преобразуются в цифровой формат и передаются на вычислительное устройство 10, например, компьютер.
Разности значений температуры, полученных с помощью измерителей температуры 3 и 8, а также 5 и 8, фиксируются на текущие моменты времени. Значения данных разностей представляют собой разности между среднемассовыми температурами первого 2 и второго 4 эталонных объектов и температурой окружающей среды. Данные разности вместе с соответствующими им показаниями времени фиксируются в вычислительном устройстве 10. Когда разность между среднемассовой температурой первого эталонного объекта 2 и температурой окружающей среды станет равной величине ΔT0, фиксируется начало отсчета времени, а когда разность между среднемассовой температурой первого эталонного объекта 2 и температурой окружающей среды станет равной величине ΔТ0 плюс ΔТ, фиксируется окончание отсчета времени. Интервал времени, за который температура первого эталонного объекта 2 повышается на⋅ΔT, рассчитывается с помощью вычислительного устройства 10 как разность между временем окончания отсчета и временем начала отсчета - Δτi s1 и сохраняется в вычислительном устройстве 10 для порядкового номера эксперимента i равного 1. Когда разность между среднемассовой температурой второго эталонного объекта 4 и температурой окружающей среды станет равной величине⋅ΔT0, фиксируется начало отсчета времени, а когда разность между среднемассовой температурой второго эталонного объекта 4 и температурой окружающей среды станет равной величине ΔT0 плюс ΔT, фиксируется окончание отсчета времени. Интервал времени, за который температура первого эталонного объекта 2 повышается на⋅ΔT, рассчитывается с помощью вычислительного устройства 10 как разность между временем окончания отсчета и временем начала отсчета - Δτi s2 и сохраняется в вычислительном устройстве 10 для порядкового номера эксперимента i равного 1. Аналогично производятся эксперименты с порядковыми номерами i равными 2, 3, 4, 5, 6, 7 при которых начала отсчета времени фиксируются, когда разности между среднемассовыми температурами первого 2 и второго 4 эталонных объектов и температурой окружающей среды равны произведению i и ΔT0, а окончания отсчета времени фиксируются, когда разности между среднемассовыми температурами первого 2 и второго 4 эталонных объектов и температурой окружающей среды возрастают на ΔT.
Удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта 6 определяется по разности интервалов времени нагрева (Δτi s2 - Δτi s1) второго эталонного объекта 4 и первого эталонного объекта 2 на заданную величину ΔT из решения относительно семи неизвестных - αh1, αh2, α1, α2, χ, η и Ru системы из семи уравнений вида (25), составленных по результатам семи экспериментов над исследуемым объектом 6. Система из семи уравнений вида (25) решается на персональном компьютере 10 относительно семи неизвестных - αh1, αh2, α1, α2, χ, η и Ru, последнее из которых является искомой величиной - удельным тепловым сопротивления исследуемого объекта 6.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом.
Устройство для измерения удельного теплового сопротивления содержит источник тепловыделения 1, выполненный в виде плоской пластины и вырабатывающий тепловой поток, первый эталонный объект 2 с размещенным посередине его толщины первым измерителем температуры 3, второй эталонный объект 4, с размещенным посередине его толщины вторым измерителем температуры 5, исследуемый объект 6, термостойкий материал 7, третий измеритель температуры 8, электронный блок обработки измерений 9, вычислительное устройство 10. Поверхности контакта источника тепловыделения 1, первого 2 и второго 3 эталонных объектов, исследуемого объекта 6 и термостойкого материала 7 равны между собой.
Устройство по п. 2 формулы изобретения работает следующим образом. Источник тепловой энергии 1 имеет на входе электрическую мощность, которая преобразуется в тепловую мощность и разделяется на два потока, один из которых проходит через первый эталонный объект 2, затем через исследуемый объект 6 и выходит в окружающую среду, а второй тепловой поток проходит через второй эталонный объект 4, затем через термостокий материал 7 и выходит в окружающую среду. Первый тепловой поток частично расходуется на нагрев первого эталонного объекта 2 и исследуемого объекта 6. Второй тепловой поток частично расходуется на нагрев второго эталонного объекта 4 и термостойкого материала 7. Сигналы от измерителей температуры 3, 5, 8 обрабатываются электронным блоком 9 и регистрируются в вычислительном устройстве 10 в виде численных значений переменных на фиксируемый момент времени. Повышение точности измерения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта в предложенном способе и реализующем его устройстве обеспечивается тем, что измеряемые величины -разности интервалов времени, за которые температура эталонных объектов повышается на заданную величину, определяются с абсолютной погрешностью плюс-минус 0,1 сек., а измерения проводятся после достижения регулярного теплового режима.
Предлагаемое изобретение позволяет проводить измерения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта с относительной погрешностью не более 5%.

Claims (21)

1. Способ измерения удельного теплового сопротивления, заключающийся в формировании теплового потока источником тепловыделения; пропускании первой части теплового потока через измеряемый объект, а второй части теплового потока через термостойкий материал, отличающийся тем, что первую часть теплового потока пропускают сначала через первый эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через исследуемый объект; измеряют зависимость температуры первого эталонного объекта от времени; пропускают вторую часть теплового потока сначала через второй эталонный объект с высокой теплопроводностью, а затем через термостойкий материал; измеряют зависимость температуры второго эталонного объекта от времени; определяют температуру окружающей среды и интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину при семи различных уровнях начальных температур первого и второго эталонных объектов; подставляют значения разностей интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, и величину температуры окружающей среды в уравнения, имеющие обобщенный вид:
Figure 00000035
где Δτs1 i, Δτs2 i - интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на ΔT градусов при i-м уровне начальной температуры первого эталонного объекта и второго эталонного объекта;
i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7;
Figure 00000036
B1=χ⋅W;
Figure 00000037
Figure 00000038
B2=(1-χ)⋅W;
Figure 00000039
Ms1, Ms2, Ms3, Mu - масса первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
cs1, cs2, cs3, cu - удельная теплоемкость первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
Rs1, Rs2, Rs3, Ru - удельные тепловые сопротивления первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
W - тепловая мощность источника тепловыделения;
Th - температура окружающей среды;
Fts1, Fts2, Fts3, Fu - площадь торцевой поверхности первого и второго эталонных объектов, термостойкого материала и измеряемого объекта;
F - площадь поверхности контакта всех объектов между собой;
Ts1 i, Ts2 i - температура начала замера времени при i-м уровне начальной температуры соответственно первого эталонного объекта и второго эталонного объекта;
ΔT - заданный интервал температуры;
αh1, αh2 - коэффициенты теплоотдачи окружающей среды вблизи поверхностей измеряемого объекта и термостойкого материала, α1, α2 - коэффициенты пропорциональности среднемассовой температуры объекта измерения и термостойкого материала температурам на границах этих объектов, χ - отношение теплового потока через границу первого эталонного объекта с источником тепловыделения к суммарному тепловому потоку через границы первого и второго эталонных объектов с источником тепловыделения; а затем решают систему из семи уравнений с помощью вычислительного устройства относительно семи неизвестных величин αh1, αh2, α1, α2, χ, W и Ru, последняя из которых представляет собой искомую величину - удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта.
2. Устройство измерения удельного теплового сопротивления, содержащее источник тепловыделения, вырабатывающий тепловой поток, термостойкий материал, вычислительное устройство и исследуемый объект, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены три измерителя температуры, электронный блок обработки, первый и второй эталонные объекты, которые размещены с двух противоположных сторон от источника тепловыделения и выполнены из материала с большой величиной теплопроводности, исследуемый объект расположен прилегающим к первому эталонному объекту, термостойкий материал расположен прилегающим к второму эталонному объекту, первый измеритель температуры размещен внутри первого эталонного объекта в середине его толщины, второй измеритель температуры размещен внутри второго эталонного объекта в середине его толщины, третий измеритель температуры размещен в окружающей среде, выходы первого, второго и третьего измерителей температуры соединены с входами электронного блока обработки, выход электронного блока обработки соединен с входом вычислительного устройства.
RU2019113985A 2019-05-06 2019-05-06 Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления RU2722088C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019113985A RU2722088C1 (ru) 2019-05-06 2019-05-06 Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019113985A RU2722088C1 (ru) 2019-05-06 2019-05-06 Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2722088C1 true RU2722088C1 (ru) 2020-05-26

Family

ID=70803177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019113985A RU2722088C1 (ru) 2019-05-06 2019-05-06 Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2722088C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2771997C1 (ru) * 2021-12-15 2022-05-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Самарский государственный университет путей сообщения Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2018117C1 (ru) * 1991-05-06 1994-08-15 Тамбовский институт химического машиностроения Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов
RU2153664C1 (ru) * 1999-03-04 2000-07-27 Попов Юрий Анатольевич Способ экспрессного определения теплопроводности твердых материалов и устройство для его осуществления
RU2178166C2 (ru) * 1999-11-29 2002-01-10 Тамбовский государственный технический университет Способ комплексного определения теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов
RU2322662C2 (ru) * 2006-05-06 2008-04-20 Елена Вячеславовна Абрамова Способ измерения коэффициента температуропроводности (варианты) и устройство для его осуществления
RU2330270C2 (ru) * 2006-05-31 2008-07-27 Елена Вячеславовна Абрамова Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления
WO2018100608A1 (ja) * 2016-11-29 2018-06-07 英弘精機株式会社 熱伝導率測定装置、熱伝導率測定方法、及び真空度評価装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2018117C1 (ru) * 1991-05-06 1994-08-15 Тамбовский институт химического машиностроения Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов
RU2153664C1 (ru) * 1999-03-04 2000-07-27 Попов Юрий Анатольевич Способ экспрессного определения теплопроводности твердых материалов и устройство для его осуществления
RU2178166C2 (ru) * 1999-11-29 2002-01-10 Тамбовский государственный технический университет Способ комплексного определения теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов
RU2322662C2 (ru) * 2006-05-06 2008-04-20 Елена Вячеславовна Абрамова Способ измерения коэффициента температуропроводности (варианты) и устройство для его осуществления
RU2330270C2 (ru) * 2006-05-31 2008-07-27 Елена Вячеславовна Абрамова Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления
WO2018100608A1 (ja) * 2016-11-29 2018-06-07 英弘精機株式会社 熱伝導率測定装置、熱伝導率測定方法、及び真空度評価装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2771997C1 (ru) * 2021-12-15 2022-05-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Самарский государственный университет путей сообщения Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Simultaneous determination of thermal conductivity and thermal diffusivity of food and agricultural materials using a transient plane-source method
RU2387981C1 (ru) Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов
Zhang et al. A high-precision instrumentation of measuring thermal contact resistance using reversible heat flux
US4568198A (en) Method and apparatus for the determination of the heat transfer coefficient
CN101464422B (zh) 一种固体材料的导热系数测量仪
Hubble et al. A hybrid method for measuring heat flux
RU2722088C1 (ru) Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления
Auch et al. Simple experimental method to determine the specific heat capacity of cylindrical Lithium-Ion-Battery cells
Jamroz Relationship between dynamic coefficients of two temperature sensors under nonstationary flow conditions
CN105286812A (zh) 一种体温测量方法和装置
RU2502989C1 (ru) Способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме
Shojaeefard et al. Inverse heat transfer problem of thermal contact conductance estimation in periodically contacting surfaces
Gustavsson et al. Thermal effusivity measurements of insulating liquids using microsized hot strip probes
Krille et al. Conduction and Inertia Correction for Transient Thermocouple Measurements. Part II: Experimental Validation and Application
RU2523090C1 (ru) Способ определения удельной теплоемкости материалов
Longo A steady-state apparatus to measure the thermal conductivity of solids
RU2771997C1 (ru) Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления
JPH11201923A (ja) 比熱測定方法及び示差走査熱量計
RU2556290C1 (ru) Способ определения теплофизических свойств твердых материалов
RU155337U1 (ru) Устройство для определения коэффициентов теплоотдачи
CN104897306A (zh) 基于圆箔热流计的瞬态辐射热流测量方法
RU2736322C2 (ru) Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления
RU2762534C1 (ru) Способ определения коэффициента теплопередачи материалов и устройство для его осуществления
SU855464A1 (ru) Способ определени коэффициента температуропроводности твердых тел
Platek et al. An accurate method for thermal conductivity measurement of thermally conductive adhesives