Фазовий спосіб визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів

Фазовий спосіб визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів, який полягає в тому, що на поверхні матеріалу, що досліджується, розміщують малошерційний нагрівач, який живлять змінною напругою, на протилежному ненагрітому боці матеріалу розміщують малошерційний термоприймальник, порівнюють фази температурних хвиль, що випромшені та пройшли крізь матеріал, та визначають коефіцієнт температуропровідності по формулі, який відрізняється тим, що додатково змінюють частоту змінної напруги до досягнення нульової різниці фаз температурних хвиль, що випромінені та пройшли крізь матеріал, вимірюють перше значення частоти fi електричних коливань, потім затримують прийняті термоприимальником коливання на час, який кратний періоду встановлених коливань, зменшують частоту змінної напруги до відновлення нульової різниці фаз, вимірюють друге значення частоти f2 електричних коливань, а коефіцієнт температуропровідності а визначають по формулі Винахід відноситься до області теплофізики та може бути використаним для визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів різної товщини, переважно багатошарових пакетів з різноманітних тканин та плівок Відомий фазовий спосіб визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів (див Филипов Л П Измерения теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева - М Энергоатомиздат, 1984 - С 46-48), оснований на збудженні в матеріалі, що досліджується, плоскої температурної хвилі, вимірюванні різниці фаз температурних коливань в двох ізотермічних площинах зразка матеріалу та визначенні температуропровідності за формулою, до якої входить різниця фаз, що вимірюється, та товщина матеріалу Однак неконтролюємі фазові здвиги, що вносяться інерційним нагрівачем поверхні матеріалу та інерційним термоприимальником температурної хвилі, не забезпечують високої точності вимірювання різниці фаз, що створюється досліджувальним матеріалом, який розташований між нагрівачем та теплоприймальником Відомий фазовий спосіб визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів за Ас СРСР № 1293606, кл G01N25/18, 1989, оснований на збудженні температурної хвилі в матеріалі, що досліджується, вимірюванні різниці фаз і відношення амплітуд температурних хвиль, що випромінені та пройшли крізь матеріал, регулюванні частоти температурних коливань до встановлення нульової різниці фаз та заданого відношення амплітуд та визначенні коефіцієнта температуропровідності а по формулі = (fi-f2) fj f (kS)2 f2 I 2л ' 5 - товщина матеріалу, що досліджується, k - число з ряду цілих чисел 1, 2, 3, 4 а= Де з2 4л-п , =-f, 5 - товщина матеріалу, що досліджується, f - частота температурних коливань, п=1, 2, 3 - одне з чисел натурального ряду чисел При отриманні вказаних фазових та амплітудних співвідношень довжина температурної хвилі стає рівною або кратною товщині матеріалу, що досліджується При дослідженні товстих матеріалів чи багатошарових пакетів для отримання нульової різниці фаз, тобто встановлення довжини температурної хвилі рівної товщині матеріалу, необхідно знижувати частоту температурних коливань до одиниць чи навіть долей Герца, що зменшує точність фазових вимірювань При підвищенні частоти важко виключити неоднозначність фазових вимірювань, 42444 якщо різниця фаз перевищує 2ті (360°С) Тому точність вимірювання коефіцієнта температуропровідності залишається низькою Відомий також фазовий спосіб визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів згідно з Патентом РФ № 1776350, кл G01 N26/18, 1992, який полягає в тому, що на поверхні матеріалу, який досліджується, розміщують малоінерційний нагрівач, який живлять змінною напругою, а на протилежному боці матеріалу розташовують малошерційний термоприймальник, порівнюють фази температурних хвиль, які випромшені та пройшли крізь матеріал та визначають коефіцієнт температуропровідності за формулою Крім того, згідно з відомим способом, в матеріалі, що досліджується, створюють радіальні температурні хвилі, а приймання їх здійснюють на протилежному боці матеріалу в двох точках, які зміщені одна від одної на калібровану відстань, що не перевищує товщину матеріалу, при цьому підраховують КІЛЬКІСТЬ нульових значень різниці фаз в процесі переміщення термоприймальника, а коефіцієнт температуропровідності а визначають за формулою f а = — V m + ті Де f - частота змінної напруги, що збуджує температурні хвилі, Іо - каліброване переміщення термоприймальника, m - КІЛЬКІСТЬ нульових значень фаз в процесі переміщення термоприймальника, Дфо - компенсоване змінення фази змінної напруги термоприймальника в радіанах Завдяки підрахунку КІЛЬКОСТІ нульових значень різниці фаз в процесі переміщення термоприймальника виключається неоднозначність фазових вимірів Однак необхідність переміщення термоприймальника по поверхні матеріалу, що нагрівається, обмежує можливість його використання при визначенні коефіцієнта температуропровідності пакетів текстильних матеріалів, що мають негладку, жорстку поверхню Крім того, помилка в підрахунках КІЛЬКОСТІ нульових значень різниці фаз в процесі переміщення термоприймальника викликає великі похибки Задача винаходу полягає у створенні такого фазового способу визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів, в якому введення нових операцій забезпечило б підвищення точності визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів різної товщини Поставлена задача вирішується тим, що в фазовий спосіб визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів, який полягає в тому, що на поверхні матеріалу, який досліджується, розміщують малошерційний нагрівач, який живлять змінною напругою, на протилежному боці матеріалу розташовують малошерційний термоприймальник, порівнюють фазу температурних хвиль, що випромшені та пройшли крізь матеріал та визначають коефіцієнт температуропровідності по формулі, згідно з винаходом змінюють частоту змінної напруги до досягнення нульової різниці фаз тем пературних хвиль, що випромінені та пройшли крізь матеріал, вимірюють перше значення частоти fi електричних коливань, потім додатково затримують прийняті термоприймальником коливання на час, що кратний періоду встановлених коливань, зменшують частоту змінної напруги до відновлення нульової різниці фаз, вимірюють друге значення частоти \j електричних коливань, а коефіцієнт температуропровідності а визначають по формулі 2 = (fi-f2) f (kS) Де f - товщина матеріалу, що досліджується, к - число з ряда цілих чисел 1, 2, З Саме введення в відомий спосіб операцій по змшенню частоти електричних коливань до досягнення нульової різниці фаз температурних хвиль, які випромінені та пройшли крізь досліджувальний матеріал, при першому значенні частоти, яке вимірюють, потім додаткове затримання прийнятих температурних коливань на час, кратний періоду встановлених коливань, зменшення частоти електричних коливань до відновлення нульової різниці фаз, вимірювання другого значення частоти призводить до однозначності фазових вимірювань при будь-якому співвідношенні товщини матеріалу, що досліджується, та довжини температурної хвилі, що забезпечує підвищення точності визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів різних товщин На кресленні (фіг) представлена функціональна схема для реалізації фазового способу визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів Схема містить генератор 1 частоти, що регулюється, подільник частоти 2, посилювач потужності 3, малошерційний нагрівач 4, теплоізоляційну оболонку 5, малошерційний термоприймальник 6, блок 7 перетворення опору в напругу, блок 8 затримки, що регулюється, посилювач напруги 9 з блоком 10 автоматичного регулювання підсилення (АРП), фазовий детектор 11, ланку затримки 12, вольтметр 13 та частотомір 14 Позиція 15 позначає пакет з ряда матеріалів, що досліджуються Робота пристрою полягає в наступному Нагрів пакета з декількох матеріалів 15, який досліджується, здійснюють малошерційним нагрівачем 4, на який діє генератор 1 змінною напругою, що посилена по потужності посилювачем З Пакет матеріалів, що досліджується, нагрівається до температури ©п, яка оцінюється середньою потужністю коливань, що підводиться Одночасно, в пакеті матеріалів, що досліджується, збуджується температурна хвиля з подвійним значенням частоти напруги живлення нагрівача Для порівнення частот температурних коливань та електричних коливань генератора 1 частота останньої розподіляється на два в розподільнику частоти 2 Температурна хвиля поширюється по ширині пакета 15 та приймається малошерційним термоприймальником 6, наприклад, болометром або малошерційним термістором, який розташований на протилежному боці пакета, який не нагрівається Температурна хвиля в процесі поширення зазнає затухання та фазову затримку в залежності від відстані 42444 між нагрівачем та термоприймальником, тобто товщини 5 пакета, що досліджується При відсутності змінної складової теплообміну з навколишнім середовищем розподіл амплітуди та фази змінної складової температури©з впродовж осі координати х, що направлена по товщині пакета, описується виразом (1) ©З =©оехр - J Де ©о - амплитуда змінної складової температури на поверхні, що нагрівається (х=0), со - кутова частота електричних коливань генератора 1, а - коефіцієнт температуропровідності пакета 15 Довжина температурної хвилі L в матеріалі або пакеті, що досліджується ^ (2) Частоту електричних коливань f=ooi/27t обирають з умови нехтуванням гармонічної складової теплообміну, тобто коли критерій Бю а ' (3) Де а - коефіцієнт теплообміну, В - коефіцієнт теплової активності Із збільшенням частоти f умова виконується краще, але довжина хвилі зменшується і вона стає меньшою за товщину матеріалу, що досліджується При визначенні коефіцієнта а пакетів матеріалів (5=5 20 мм) у більшості випадків виникає ситуація, коли а«5 Фазовий зсув температурної хвилі в МІСЦІ приймання термоприймальником можна представити як фазових зсувів, що вносяться перетворювальними ланками схеми, різниця фаз вимірювального та опорного сигналів на входах фазового детектора 11 приймає вигляд + х 2 - х 3 ) = 2 л т +Дф-j, Де хз - затримка опорного сигналу, що вноситься ланкою 12, Дфі=2тір - дробна частина останнього фазового циклу Затримку хз опорного сигнала вибирають такою, щоб забезпечувалась симетрія вимірювального та опорного каналів