Устройство для диагностики теплофизических свойств гетерогенных сред

Предполагаемая полезная модель относится к области диагностики теплофизических свойств вещества путем исследования теплопроводности, и может быть использовано для оценки функционального состояния мелкодисперсных систем и биологических жидкостей. Технический результат - расширение возможностей диагностирующей системы, снижение деформирующего термического воздействия на исследуемую среду. Устройство содержит измерительную ячейку в виде контейнера с исследуемой средой, датчик температуры внешних стенок контейнера и размещенный в полости контейнера нагреватель, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде нити накала, источником нагрева которой служит генератор импульсов тока. Гетерогенная система, теплопроводность, измерительная ячейка, нагреватель, импульсный нагрев.

Предполагаемая полезная модель относится к области диагностики теплофизических свойств вещества путем исследования теплопроводности, и может быть использована для оценки функционального состояния мелкодисперсных систем и биологических жидкостей.

Известно устройство для осуществления способа определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов / Патент РФ 2501002, G01N 25/18, 2013 г./, включающее нестационарный нагрев образца, измерение температуры, определение температурной зависимости коэффициента теплопроводности посредством решения КОЗТ, отличающееся тем, что нагрев осуществляют радиационными импульсами с интервалами между ними 5-10 секунд, при этом измерение температуры производят синхронно в момент окончания импульса.

Известное решение предназначено для исследования теплофизических свойств частично прозрачных материалов и не может быть использовано для диагностики гетерогенных сред.

Известно устройство для осуществления способа контроля неметаллических материалов /патент Японии 3154857 H03H 17/00, H03H 17/02, H03M 1/08 2001 г./ путем приложения импульсной температурной нагрузки. Временные изменения нестабильного температурного поля, соответствующие дефекту или повреждению, измеряют и анализируют с использованием инфракрасной камеры и вычислительной системы. Способ обеспечивает высокую точность.

Известное устройство позволяет определить состояние конструкций и их теплопотери, однако они не применимы для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации материала.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для осуществления способа активного теплового контроля с использованием анализа термографических данных /US Patent No. 5631465. G01N 25/7229 1997./. Способ включает импульсный нагрев изделия с помощью ксеноновой лампы и последующее перекрытие отраженного излучения нагретой лампы механическим способом (с помощью непрозрачной шторки). Последовательность термограмм записывают в процессе охлаждения после прекращения действия оптического импульса нагрева, а обработку термограмм проводят либо в режиме он-лайн с помощью встроенного цифрового блока обработки, либо в режиме офф-лайн с помощью компьютера.

Недостатком известного решения является использование в качестве источника импульсного нагрева оптического излучения ксеноновой лампы, параметры импульса которого ограничены как по времени, так и по энергии.

В известном случае не могут быть учтены особенности протекающих процессов, основанных на использовании интенсивных потоков энергии. В частности, например, импульсное излучение лазеров пико- и фемтосекундной длительности существенным образом изменяет процессы переноса тепловой энергии в исследуемых объектах. В этих случаях на перенос тепла, возникающего под действием интенсивных импульсов, влияет инерция среды, связанная с термической активацией и последующей релаксацией создаваемых дефектов.

Задачей предлагаемого технического решения расширение возможностей диагностирующей системы, снижение деформирующего термического воздействия на исследуемую среду

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, включающем измерительную ячейку в виде контейнера с исследуемой средой, датчик температуры внешних стенок контейнера и размещенный в полости контейнера нагреватель, нагреватель выполнен в виде нити накала, источником нагрева которой служит генератор импульсов тока.

Общий вид устройства для диагностики гетерогенных сред путем измерения теплопроводности показан на Фиг 1.

Устройство содержит измерительную ячейку в виде полого металлического цилиндра, служащего контейнером для диагностируемой среды 1, включающую нагреватель 2, выполненный в виде металлической нити из нихрома, размещенную вдоль центральной оси цилиндра. В контейнер помещена диагностируемая среда 3. Верхнее отверстие контейнера закрывают крышкой с отверстием для металлической нити-нагревателя. Устройство также содержит датчик 4 для регистрации температуры наружных стенок цилиндра, генератор импульсов 5, усилитель 6, источник питания 7 и осциллограф 8 обеспечивающий. контроль параметров импульса нагрева.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Импульс тока подается с генератора импульсов 5 через транзистор 6, предназначенный для усиления сигнала. Питание схемы осуществляется от источника питания 7. Импульс тока поступает на нить накала 2, размещенную вдоль оси цилиндрического контейнера 1. Регистрация температуры наружных стенок контейнера осуществляется датчиком температуры 4. Нить накала выполнена из нихрома, диаметр проволоки 0.2 мм. Сопротивление проволоки 1 Ом. Параллельно нити накала нагревателя размещен осциллограф 8 для контроля параметров импульса, подаваемого на нить накала.

При исследования теплофизических свойств вещества в целях устранения влияния окружающей среды устройство для диагностики размещают в термостате.

Через верхнее отверстие в полость контейнера вводят исследуемую среду и запирают крышкой. На нить накала, проходящую вдоль оси контейнера, с генератора импульсов через транзистор подается импульс тока. Короткая длительность импульса при значительной величине температуры позволяет регистрировать процесс прохождения через среду теплового импульса. При этом не происходит заметного изменения структуры среды.

Последнее обстоятельство является важным при исследовании теплофизических характеристик дисперсных сред, свойства которых чувствительны к изменению температуры (например, биологические жидкости).

Характерный импульс тока, наблюдаемый на экране осциллографа представлен на Фиг. 2. Формируемый импульс имел длительность 1 м сек, величина напряжения 28 B.

Температура нити накала, измеренная с использованием пирометра, составляла 350°C.

В качестве примера использования предлагаемого устройства на Фиг. 3 приведены результаты исследования теплофизических характеристик трех типов гетерогенных сред;

1 - воздух, 2 - вода 3 - мелкодисперсный стеатит. Исследована зависимость прохождения теплового импульса от агрегатного состояния гетерогенной среды. В диапазоне 10-60 импульсов эти зависимости имеют линейный характер.

Предлагаемое устройство позволяет оценить характер распространения теплового поля при интенсивном импульсном нагреве гетерогенной среды. Использование нагревателя в виде нити накала, источником нагрева которой служит генератор импульсов тока, позволяет оценить ход процесса теплового переноса без термической деформации исследуемой среды.

Технический эффект - расширение возможностей диагностирующей системы, снижение деформирующего термического воздействия на исследуемую среду.

Устройство для диагностики теплофизических свойств гетерогенных сред методом измерения теплопроводности, включающее измерительную ячейку в виде контейнера с исследуемой средой, датчик температуры внешних стенок контейнера и размещенный в полости контейнера нагреватель, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде нити накала, источником нагрева которой служит генератор импульсов тока.

РИСУНКИ