Устройство для определения теплофизических параметров веществ

 

УСТРОЙСТЮ ДНЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ . ТЕШ10ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ, содержащее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на нагревательном элементе, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени измерений и повышения точности, нагревательньй элемент выполнен в виде двух электродов соединенных с импульсным источником питания, при этом датчик температуры расположен на поверхности одного из электродов, выпрлненного в форме полой сферы из электрои теплопроводящего материала. S (О Is9 Ф

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

ХСИ ЛН» ч ю

РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Л A

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

М ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТБУ (2.1 ) 3599928/18-25 (22) 03. 06. 83 (46) 07. 11.84. Бюл.№ 4! (72) В.В.Калинин, А.В.Калинин и Б.Л.Пивоваров (7!) ИГУ им. И.В.Ломоносова (53) 536.629.7(088.8) (56) 1. Янкелев Л.Ф. Зонд для массовых определений термических коэффициентов беэ отбора проб;-"Заводская лаборатория", 1955. № 5, с.607-612.

2. Любимова E.Â., Никитин В.Н., Томара Г.А. Тепловые поля внутренних и окраинных морей СССР. "Наука", 1976, с.20-22 (прототин).

3. Справочник геофизика, Т.Ч1.

Электрораэведка."Недра", 1980, с.25.

„Я0„„1122954 А (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИИ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ,. содержащее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на нагревательном элементе, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения времени измерений и ïîâûшения точности, нагревательный элемент выполнен в ниде двух электродов соединенных с импульсным источником питания, при .этом датчик температуры расположен на поверхности одного из электродов, выполненного в форме полой сферы из электро- и теплопроводящего материала. 9

t 1

Изобретение относится к исследованию теплофизических параметров, в частности к геофизическим исследованиям на акваториях с целью определения физических характеристик донных осадков, при этом определяемыми параметрами являются коэффициенты температуропроводности,объемная теплоемкость и коэффициент теплопроводности.

Известно устройство для определения теплофизических параметров веществ при исследованиях на акваториях, состоящее иэ цилиндрического изотермического зонда, внедряемого в исследуемую, среду, и датчика температуры, фиксирующего изменение температуры зонда в среде (1), Недостатком данного .устройства является отсутствие активного нагревательного элемента, позволяющего создавать необходимую для точных измерений регулируемую раэность температур среды и зонда. Этот недостаток особенно существенен при ис-. следовании свойств придонных грунтов на акваториях. В этом случае началь.ная температура зонда равна температуре придонного слоя воды. Следствием этого является малая начальная разность температур зонда и среды и соответственно низкая точность определения теплофизических параметров.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения .теплофизических параметров веществ, включающее нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента.

Нагревательный элемент выполнен в виде спирали, через которую протекает электрический ток от источника электрической энергии. Спираль находится внутри цилиндрического металлического зонда, помещаемого в исследуемую среду, на поверхности зонда расположен датчик температуры. При протекании через спираль электрического тока тепло распространяется в окружающую среду. Для измерения теплофиэических свойств необходимо нагреть достаточно большой объем среды таким образом, чтобы температура его значительно отличалась от первоначальной (2) .

Недостатком известного устройства является то, что при излучении вла122954

30

20 .25

50 гонасыщенных сред, какими являются в большинстве случаев придонные отложения, длительный нагрев исследуемых сред, который необходим для нормальной работы известного устройства, приводит к потере точности определения их теплофизических параметров.

Это связано с тем, что в условиях длительного нагрева во влагонасыщенных средах равиваются процессы массовлагопереноса, тем самым нарушаются условия, лежащие в основе самого метода определения теплофиэических свойств

Целью изобретения является уменьшение времени измерений и повышение их точности.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения теплофизических параметров, содержащем нагревательный элемент, соединенный с источником питания, и датчик температуры, расположенный на поверхности нагревательного элемента последний выполнен в виде двух электродов, соединенных с импульсным источником питания, при этом датчик температуры расположен на поверхности одного из электродов, выполненного в форме полой сферы из электрон теплопроводящего материала.

При пропускании импульсного электрического тока через электрсды осу.ществляется практически мгновенный нагрев исследуемой среды и, следовательно, сокращается время эксперимента и повышается его точность °

НЙ чертеже изображено предлагаемое устройство.

Система из двух электродов, один из которых представляет собой полую электро- и теплопроводящую сферу 1 радиуса, а второй — электрод произвольной формы 2, подключена с помощью проводов 3 и ключа 4 к импульсному источнику тока 5. В рабочем положении оба электрода помещены в исследуемую среду 6, имеющую теплопроводность h,,температуропроводность Х, удельную теплоемкость С; плотность р и электропроводность б

Датчик температуры 7 расположен на внешней поверхности электрода 1.

Устройство работает следующим образом.

В момент 1 =О ключ 4 замыкается, и в исследуемой среде начинает проте кать ток, в момент = ключ 4 размыкается, так что длительность импульса тока составляет о .

1122954

ЗТ

Рс — +=Яат+iJE, (1) err,g, ЕЯ) где, и Е =E(rr,rj,g,Ö 1 Н о)

/ с = (8) HT{O tо) 3

В результате протекания тока происходит нагрев среды, при этом изменение избыточной температуры Т среды описывается уравнением — плотность тока и на r0 пряженность электрического поля соответственно, Х,) Z — координаты Фочек среды, — лапласиан.

В предлагаемом устройстве один из электродов является полой сферой, а второй имеет площадь поверх. ности, намного превосходящую площадь сферического электрода. В случае, 20 когда он удален от сферического электрбда на расстояние, намного превос" ходящее его радиус d, задача сводится к нагреву среды при стекании тока с одиночного сферического элек25 трода.

Уравнение (1) соответственно примет вид, ат а1,ат

Pc — = — — (r — / при t М . (7)

3t „,, 3r) о °

Тогда из (6), с учетом равенства (5). и условия т(гА, = о (tI tlldadt — ) а 2 Ю(о),Д 4, 1 г4 Эч с l" о где%К„)- электрическая энергия, выделившаяся за время то протекания импульсного элек трического тока, 4 5

7= — -«а

"3

Измеряя температуру Т {а,tä) на поверхности сферического электрода, можно определить объемную теплоемкость исследуемой среды

Из уравнения (7), решая его стан-. дартным методом разделения переменных и вводя безразмерные параметры, получим на границе сферического электрода

Г(6,<) =1(1Я) =- Я„е re Äaf (9) 0{Обо

1", = (s) где.Ц®- разность потенциалов между электродами, Если длительность 1 импульса электрического така мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температуры по объему среды вследствие теплопроводности, то уравнение (2) распадается на два

50 рс — =«1Е, п и 01 ta ) (6) ат где Р— координата точек среды, т.е. ее расстояние до центра сферического электрода, 1 = j {г,4),Е = K {vt,t)

Для уравнения (2) имеет место 35 следующее граничное условие — =0 при =O ° (З1

Эт а

Кроме того, поскольку длительность протекания тока ограничена, то спра- 40 ведливо выражение

Т(Ъ,Ы О при r = Ъ - со (4) Плотность тока, стекающего со сферического электрода, равна

45 т{г,4) = T(r,<)(1; т = T{a r .) =а(Ц/ Ррс

2Е wintry,„à1(õ-t1 дх- безразj+ og,„д Z (q+r. х)

0 мерные коэффициенты, С вЂ” величина, определяемая из уравнения а„а 4grrr „{b-а3

Таким образом, нормированная температура T(l,<1, измеренная на границе. нагреваемого сферического электрода, есть функция безразмерного времени

t и некоторого произвольного парамет ра 1 = (Ъ -ц и а . Поскольку темпер атура при г) а падает очень быстро, то избыточная температура Т практически равна нулю при любых . Следовательно, располагая теоретической. кривой T{l t, можно определить коэффициент температуропроводности следующим образом: а) определяются температуры на поверхности сферического электрода в моменты 1 =10 и 1 = 1, 1 — соответственно То и Т, 2954

t0

20

5 112 б) по измеренному значению Т = о

=Т(1,0, теоретической кривой

Т (1Д) =Т-(1,h) Т, и времени определяют абсциссц „ точки на теоретической кривой, ордината которой есть т(1,a,)/ Т„ в) определяют коэффициент температуропроводности м= K,сР/, Зная величины Ж и р< можно опре делить и коэффициент теплопроводности 3 =3Epc.

Принципиальным для данного устрой. ства является создание сферически симметричного электрического поля, что достигается не только выбором основного измерительного электрода в виде сферы, на и в отнесении второго электрода "бесконечность" ° Для оценки величины необходимых межэйектродных расстояний воспользуемся выражением для потенциала сферического электрода, помещенного в среду с удельным электрическим сопротивлением 3 (3 ), о = и. ., где 0 — потенциан в среде на расстоянии v от сферического электрода, 000 3-Дд

-- потенциал на поверхности сферического электрода, имеющего радиус б . — ток, протекающий через электрод.

Таким образом, электрическое по-. ле, создаваемое при протекании через сферический электрод тока и рас4 пространения его в среде, является сферически симметричным, следовательно, сферически симметричным является и распределение тмпературно- . го поля в соответствии с уравнением (6).

Если же на расстоянии 8 от сфе" рического электрода расположен второй электрод сферической формы с тем же радиусом Я, то сферическая симметрия электрического и температурного поля нарушается, поскольку потенциал электрического поля на расстоянии от первого электрода равен когда r =q, отличие поля U, (a) от сферического не будет превышать 10%, если межэлектрическое расстояние б оставляет не менее 10 радиусов Q электрода. Полученную оценку можно обобщить на случай, когда второй электрод имеет произвольную форму (сфера, плоскость, диск, цилиндр) .

Далее важно выбрать соотношение размеров электродов таким, чтобы основная часть электрической энергии импульса 4(4<) выделялась вблизи основного, сферического электрода. Так как доля выделяемой электрической энергии пропорциональна сопротивлению заземления электродов, а эти сопротивления, в свою очередь обратно пропорциональны площади поверхности, то при условии пятипроцентной потери электрической энергии площадь электрода произвольной формы должна не менее, чем в 20 раз превышать площадь основного сферического электрода.

Длительность нагрева Е и величина избыточной температуры могут быть оценены из следущих соображений: измерительный электрод с радиусом =0,5 см помещен в морские илы с 0 =4(Ом.м), P c=0,5 кал/см град; электрический ток через электроды пропускается путем разряда конденсатора емкостью С=40 мкФ, заряжен" ного до напряжения 0 =IOOB сопротивление заземления g =50 Ом. Tor да эффективная длительность тока

t =39 C, за которую в среде выделяется 99,87 энергии% =С11,/2, составит 6 мс, При этом температура

Т(n,k ) на поверхности электрода увеличится иа 0,09 С. При уменьшеЬ нии Я до 0,4 см время 1, увеличится до 8 мс, а скачок температуры — до о

0,18 С. За время т. прогревается шаровои слой толщиной 2,2Q, причем, на внешней границе слоя температура составит 0,01 Т (а ).. Время измерения для определения коэффициента температуропроводности составит в этих условиях 3-10 с, в то время как для прототипа время измерений составляет 5-15 мин.

Из равентста 1101вядно,что приизмерении на поверхности электрода, 55

Использование данного устройства в сравнении с прототипом обеспечивает повышение точности и уменьшение времени наблюдений за счет выполнения

1122954

Составитель В.Зайченко

Редактор В.Ивайова Техред Т;Фанта .. Корректор А. Зимокосов

Заказ 8981 .Тираж 822

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб. ° д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r.ужгород,. ул.Проектная, 4 нагревательного элемента из двух электродов, один из которых — полая сфера электротеплопроводящего материала, а также за счет пропускания через электроды импульсного электрического тока.