Пристрій для визначення теплопровідності матеріалів

Пристрій для визначення теплопровідності матеріалів, який включає термопару з робочим кінцем, що знаходиться в тепловому контакті з поверхнею матеріалу, який досліджується, і з'єднаний з додатним та від'ємним електродами, вільні кінці яких розташовані на мідних колодках, диференційний підсилювач та двополюсний перемикач полярності, який відрізняється тим, що в нього введені об'єднані загальною шиною аналого-цифровий перетворювач напруги, цифро 3 12054 4 рювання багатофункціональними термосенсорапристрою вказаним чином, дозволяє здійснювати ми: навчальний посібник / Головко Д.Б., Дубровний охолодження й нагрів робочого кінця термопари В.О., Скрипник Ю.О., Хімічева Г.І. - К.: Либідь, постійним струмом, без його переривання при ви2000, С.222-224], який включає термопару з робомірюванні термоЕРС охолодженого й нагрітого чим кінцем, що знаходиться в тепловому контакті з робочого кінця термопари, що забезпечує стабільповерхнею матеріалу, який досліджується, і з'єдність температури охолодження й нагріву робочого наний з додатним та від'ємним електродами, вількінця при тепловому контакті з матеріалом, що ні кінці яких розташовані на мідних колодках, дидосліджується, що забезпечує підвищення точносференційний підсилювач та двополюсний ті вимірювання теплопровідності матеріалу. перемикач полярності. На фігурі приведена електрична схема приКрім того, пристрій включає джерело постійнострою для визначення теплопровідності матеріаго струму, регульований резистор, міліамперметр і лів. мілівольтметр. Пристрій містить термопару 1, яка складається Почерговий нагрів й охолодження робочого кіз робочого кінця 2, двох різнорідних електродів: нця постійним струмом за рахунок ефекту Пельвід'ємного 3 й додатного 4, додаткового електроду тьє, підвищує чутливість термопари до змін тепло5, однорідного з електродом 4, й трьох мідних копровідності матеріалу. Однак переривання струму лодок 6, 7, 8, на яких розташовані вільні кінці елекнагріву-охолодження для визначення термоЕРС тродів. Подовжувальними проводами 9 й 10 мідні термопари викликає нестабільність температури колодки 6 й 7 через вхідний подільник напруги 22 робочого кінця, внаслідок швидкого розсіювання з'єднані з прямим й інверсним входами диферентепла Пельтьє у контактному шарі електродів. ційного підсилювача 11, до виходу якого підключеНепостійність температури робочого кінця знижує но аналого-цифровий перетворювач (АЦП) напруточність вимірювання теплопровідності матеріалів. ги 12. Цифровий вихід АЦП крізь загальну шину 13 В основу корисної моделі покладена задача з'єднаний з цифровою оперативною пам'яттю 14. створити такий пристрій для визначення теплопЗагальною шиною 13 також з'єднані в одну обчисровідності матеріалів, в якому введення нових лювальну систему програмована постійна пам'ять елементів і зв'язків, забезпечило би підвищення 15, мікропроцесор 16, цифровий індикатор 17 і точності вимірювання теплопровідності матеріалів. цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) струму Поставлена задача досягається тим, що в 18. До симетричних виходів ЦАП струму 18 підкпристрій для визначення теплопровідності матерілючено двополюсний перемикач полярності 19, алів, який включає термопару з робочим кінцем, один вихід якого за допомогою подовжувального що знаходиться в тепловому контакті з поверхнею проводу 20 з'єднаний з диференційним підсилюматеріалу, який досліджується, і з'єднаний з додавачем 11 через середню точку вхідного подільника тним та від'ємним електродами, вільні кінці яких напруги 22, який складається з однакових резисрозташовані на мідних колодках, диференційний торів, а другий вхід через подовжувальний провід підсилювач та двополюсний перемикач полярнос21 - мідною колодкою 8. Мікропроцесор 16 з'єднаті, згідно з корисною моделлю, до нього введені ний з двополюсним перемикачем полярності 19. об'єднані загальною шиною аналого-цифровий Позицією 23 позначено матеріал, теплопровіперетворювач напруги, цифро-аналоговий перетдність якого досліджується, а позицією 24 - метаворювач струму, цифрова оперативна пам'ять, лева основа, на якій знаходиться випробуваний програмована постійна пам'ять, мікропроцесор і матеріал. цифровий індикатор, додатковий електрод, одноПристрій працює наступним чином. рідний з додатним електродом, додаткова мідна Термопару 1 розташовують так, щоб її робоколодка та вхідний подільник напруги, через який чий кінець 2 знаходився в тепловому контакті з мідні колодки з'єднані диференційним підсилюваматеріалом 23, що досліджується, який розміщучем, причому робочий кінець термопари з'єднаний ється на металевій основі 24. Робочий кінець 2 з додатковим електродом, підключеним через дотермопари 1 сприймає температуру матеріалу Т1, даткову мідну колодку, до одного входу двополюса вільні кінці від'ємного 3 та додатного 4 електроного перемикача полярності, другий вихід якого дів, розташованих на мідних колодках 6 й 7, мають з'єднаний з середньою точкою вхідного подільника температуру цих колодок Т0. ТермоЕРС 1 на вільнапруги, аналого-цифровий перетворювач напруги них кінцях термопари визначаються виразом: з'єднаний з диференційним підсилювачем, а симе(1) Е1= 1Т1- 0Т0, тричні виходи цифро-аналогового перетворювача де 1 - коефіцієнт Зеєбека (коефіцієнт термоструму з'єднані з входами двополюсного перемиЕРС) робочого кінця 2 при термодинамічній темкача полярності, керуючий вхід якого з'єднаний з пературі Т1; виходом мікропроцесора. 0 - коефіцієнт Зеєбека вільних кінців при терВведення у схему пристрою для визначення модинамічній температурі Т0. теплопровідності матеріалу аналого-цифрового ТермоЕРС по подовжувальним проводам 9 й перетворювача напруги, цифрового-аналого пере10 передається на інверсний і прямий входи дитворювача струму, цифрової оперативної пам'яті, ференційного підсилювача 11. Підсилена напруга програмованої постійної пам'яті, мікропроцесора поступає на АЦП напруги 12, в якому перетворюта цифрового індикатора, об'єднаних загальною ються у цифровий КОД N1; шиною, третьої мідної колодки й третього електK1 N1 ( 1T1 0T0 ) , рода, однорідного з додатнім електродом термо(2) q1 пари, який включений між робочим кінцем й треде К1 - коефіцієнт підсилення диференційного тьою мідною колодкою, з'єднаних з елементами 5 12054 6 підсилювача 11; PI0 K 2I2R K1 q1 - одиниця молодшого розряду АЦП напруги 0 N2 T1 (6) 1 0T0 , 12. q1 xF Код N1 вводиться до мікропроцесорної системи через загальну шину 13 і запам'ятовується в Код N2 також вводиться через загальну шину цифровій оперативній пам'яті 14. 13 й запам'ятовуються в цифровій оперативній По програмі, яка записана в програмованій попам'яті 14, товщина матеріалу 23 8 вводиться в стійній пам'яті 15, до мікропроцесора 16 вводиться мікропроцесорну систему оператором. код N0, якій відповідає оптимальному струму охоДалі по програмі, яка зберігається в програмолодження робочого кінця 2 термопари 1. За допованій постійній пам'яті 15 мікропроцесором 16 вимогою ЦАП струму 18 по коду N0 формується посробляється сигнал на перемикання в протилежне тійний струм положення двополюсного перемикача полярності І0=q2N0, (3) 19. При цьому проходить зміна напрямку проходе q2 - одиниця молодшого розряду ЦАП 18. дження постійного струму через спай електродів 3 Постійний струм І0 через двополюсний переі 5. В результаті зміни напрямку струму у спаї помикач полярності 19 поступає в робочий кінець 2 чинається процес виділення тепла Пельтьє. В ретермопари 1 по подовжувальним проводам 20 й зультаті цього температура робочого кінця 2 під21. В спаї додатного 5 і від'ємного 3 електродів за вищується до значення: рахунок ефекту Пельт'є виникає поглинання тепPI0 K 2I2R ла, і робочий кінець 2 охолоджується до темпера0 (7) T3 T1 , тури T2. При охолодженні робочого кінця 2 термоxF пари 1 термоЕРС на мідних колодках 6 й 7 Відповідно термоЕРС на вільних кінцях електзнижується до значення: родів термопари 3 і 5 підвищується, код на виході (4) Е2= 1Т2- 0Т0, АЦП напруги 12 приймає значення: При цьому на вхідну напругу диференційного підсилювача 11 струм І0, що протікає по електроPI0 K 2I2R K1 0 N3 (8) дах 3 і 4 термопари 1 та її подовжувальних прово1 T1 0T0 , q1 xF дах 9 і 10, безпосередньо не впливає. Дійсно, електроди 3 й 4, проводи 9 і 10 та резистори вхідного Код N3 вводиться у мікропроцесорну систему подільника напруги 22 утворюють мостову схему, через загальну шину 13 й запам'ятовується в цифв діагоналі якої протікає струм І0. Оскільки струм ровій оперативній пам'яті 14. Двополюсний перепротікає крізь однакові резистори в протилежних микач полярності 19 повертається у вихідний стан, напрямках, то загальне падіння напруги на резисЦАП струму 18 обнуляється. Температура робочоторах подільника напруги 22 дорівнює нулю і не го кінця 2 знижується до температури T1. посилюється диференційним підсилювачем 11. Теплопровідність матеріалу 23, що досліджуТому при вимірюванні термоЕРС Е2 охолодженого ється, можна визначити із рівнянь (1), (6) і (8) за робочого кінця 2 немає необхідності в перериванні формулою: струму. При визначенні температури Т2 треба врахо2K1K 2 1I2R 0 (9) , вувати, що одночасно з поглинанням тепла Пельx N3 N2 2N1 q1F тьє здійснюється виділення теплоти Джоуля на У розрахункову формулу (9) входить крім кодів електродах 3 і 5, а також на її спаї. Частина цього N1, N2, N3 складова (позначимо її як L) тепла розсіюється в робочому кінці 2, а частина - в мідних колодках 6 і 8. Тому результуючу темпера2K1K 2 I2R 0 , (10) туру робочого кінця 2 при струмі І0 можна розрахуL q1F вати за формулою: яка визначається параметрами, що не залеPI0 K 2I2R 0 жать від теплофізичних властивостей матеріалу, (5) T2 T1 , але є необхідними для визначення теплопровідноxF сті пристроєм. Невизначеність параметра L може де Р - коефіцієнт Пельтьє різнорідних електбути джерелом похибки вимірювань. родів 3 і 5; З метою усунення цієї вади проводять калібК2 - коефіцієнт, який враховує долю тепла рування пристрою по матеріалу з відомою теплопДжоуля, яка поступає в робочий кінець 2; ровідністю K, який може знаходиться в іншому R - загальний опір електродів 3, 5 і робочого термодинамічному стані. кінця 2 термопари 1; Результат калібрування можна представити у - товщина матеріалу 23, що досліджується; вигляді: - теплопровідність матеріалу 23, що досліx джується; 2K1K 2 1I2R K 0 (11) F - площина поверхні теплообміну робочого кі, k N3K N2K 2N1K q1F нця 2 термопари 1 з матеріалом 23. ТермоЕРС E2 підсилюється диференційним де N1K, N2K, N3K - коди, які отримують в процесі підсилювачам 11 та за допомогою АЦП напруги 12 калібрування; перетворюється у цифровий код. При невеликих K й K - відповідно теплопровідність й товщизмінах температур (Т1-T2