Изобретение относится к приборам и методам исследования теплофизических свойств веществ и может найти применение в теплофизике, физической химии, материаловедении, металлургии металлов и сплавов.
Известна установка измерения теплоемкости твердых тел, разработанного Платуновым Е.С. выпускаемые Актюбинским заводом [1].
Недостатком данной установки являются: шаг температуры составляет 250С, т.е. каждую 250С (5-10 минут) получают данные о теплоемкости твердых тел; установка определяет теплоемкости твердых тел до 4000С; расчеты показывают, что максимальная общая относительная погрешность экспериментальных данных теплоемкости составляет 5.1%.
Известна установка для измерения теплоемкости твердых тел, содержащая электропечь, образец; гальванометр; лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) и секундомер [2].
Недостатком данной установки являются: долгое время обработки экспериментальных данных; расчеты показывают, что максимальная общая относительная погрешность экспериментальных данных теплоемкости составляет 3.2%.
В качестве наиболее близкого аналога выбран установка для измерения теплоёмкости твердых тел [3], содержащая электропечь СШОЛ (1), который позволяет равномерно нагреть цилиндрический образец (2) с помощью термопары (3), подающий сигнал об изменение температуры внутри образца в цифровой термометр «Digital Multimeter DI9208L» (4), который подаёт прямой фиксации результатов на компьютере (5) в виде таблицы. Точность измерения температуры составляют 0.10С, а погрешность 1%.
Однако установка позволяют измерить температуры только в одном направления, и занимает много времени для обработки экспериментальных результатов, и она непригодна для измерения теплоемкости тел, так, как не известно, коэффициенты теплоотдачи.
Цель изобретения является создание установки, позволяющая определение теплофизические свойства металлических материалов и проверки однородности температурное поле в них.
Цель достигается путем разработки установки для одновременного измерения температуры в трех направлениях, содержащей цифровой термометр Digital Multimeter UT71B и двухканальный портативный измеритель температуры AT4202, которые позволяли бы прямую фиксацию экспериментальных результатов в зависимости температуры тела от времени охлаждения. Точность фиксации температуры составляет 0.10С.
Заявляемая установка иллюстрируется чертежами, где на Фиг. 1 показана общая схема установки для измерения теплоемкости твердых тел,
В качестве иллюстрации на Фиг. 2 приведена зависимость температуры образца из алюминия марки A5N от времени охлаждения относительно осей X, Y, Z.
На Фиг. 3 показано зависимость температуры образца от времени охлаждения за счет теплового излучения (
), теплопроводности (
) и конвекции (
).
На Фиг. 4 приведено зависимость скорости охлаждения образца за счет излучения, теплопроводности и конвекции от времени.
На Фиг. 5 приведены температурные зависимости коэффициентов теплоотдачи за счет излучения
, теплопроводности 
и конвекции 
.
На Фиг. 6 приведена зависимости степени черноты образца от температуры.
на Фиг. 7 в качестве примера приведены зависимости температуры образца из стали 45 от времени охлаждения в интервале температуры от 750 до 35 0С.
На Фиг. 8 в качестве примера приведены зависимость скорости охлаждения от температуры образцов разного диаметра из стали марки 45.
Схематическое изображение установки для определения теплофизических свойств металлических материалов, представлено на Фиг. 1, включающей узлы: автотрансформатор ЛАТР тип РНО 250-2 (1), измеритель Digital multimeter DI 9208 L (2), электропечь (в виде цилиндра диаметром 10 см) (3), спирали (4), образец (5), термопары 6, 7 и 8, держатель (9); двухканальный портативный измеритель температуры AT4202 (10), USB (11), кабели соединения с компьютером (12 и 14), цифровой мультиметр Digital Multimeter UT71B (13) и компьютер (15).
Сущность изобретения заключается в том, что установка для определения теплофизических свойств металлических материалов, содержащая автотрансформатор ЛАТР тип РНО 250-2 (1), к которому последовательно соединены измеритель Digital multimeter DI 9208 L для контроля напряжения (2), электропечь, выполненными в виде цилиндра диаметром 10 см (3), позволяющая равномерно нагреть образцом (5), представлявший собой тело с высверленными каналами в трех направлениях. В этих каналах образца (5) помещены термопары (6, 7 и 8), концы которых подключены к цифровому мультиметру UT71B (13) и двухканальному портативному измерителю температуры AT4202 (10) с ценой деления для измерения температуры ±0,1 °C, содержащий USB (11). Цифровой мультиметр Digital Multimeter UT71B (13) соединён при помощи кабелей (12) и (14) с компьютером (15), что позволяет напрямую записывать результаты измерений температуры образца от времени охлаждения в виде таблицы.
Для измерения температуры одновременно в трех направлениях использован цифровой мультиметр Digital Multimeter UT71B (13) и двухканальный портативный измеритель температуры AT4202 (10). В измерителе температуры AT4202 (10) используется микропроцессор ARM, который может собирать двухканальные данные о температуре
одновременно и быстро реагировать на них. Прибор AT4202 выполняет функцию передачи данных через USB (11). В приборе AT4202 (10) используется программное обеспечение ATS42 для сбора и сохранения экспериментальных данных. Погрешность измерений температуры этим прибором в диапазоне -200 до 1800 °C составляет 0.2%+1°C. Использования этого прибора в установке впервые позволило исследовать охлаждения тела одновременно в трех направлений.
Принцип работы установки заключается в том, что устанавливается напряжение на автотрансформаторе (1) и контролируется с помощью измерителя Digital multimeter DI 9208 L (2). Образец (5) помещается в электропечь (3) и нагревается до температуры чуть ниже температуры плавления алюминия. Температура внутри камеры нагрева контролируется с помощью цифрового термометра Digital Multimeter UT71B (13). После достижения заданной температуры образец (5) быстро извлекается из печи в воздух.
С помощью термометра фиксируется значение температуры окружающей среды. В момент, когда температура образца достигает заранее заданного значения, начинается автоматический отсчёт времени охлаждения и температуры до момента, когда она достигнет 35–40 °C. При высоких температурах каждые одна секунда и при низких температурах каждый 10 секунд компьютер автоматически фиксирует температуру образца. Итоговый результат отображается на компьютере (15) в виде таблицы зависимости T=f(t). Относительная ошибка измерения температуры в интервале от 40 ºС до 400 ºС составляла ± 1%, а в интервале от 400 ºС до 1000 ºС - ± 2,5%.
Из величины измеренной температуры образца вычитаем температуру окружающей среды ΔT=T-T0. Далее строим график зависимости ΔT от времени 
. Все вычисления проводились на компьютере с помощью программы Microsoft Office Excel. Обработка результатов измерений и аппроксимации экспериментальных данных проводилась на платформе пакетов математических программ Sigma Plot 10 и Origin Pro 17. Как правило, удавалось подобрать такую зависимость температуры образца от времени, что коэффициент регрессии не был ниже 0.9998.
Перед каждой серией измерений проверялась надёжность работы установки с помощью измерения эталонных кривых охлаждения меди и A5N.
Как видно из Фиг. 2 охлаждения образца не зависит от направления.
Обработка с помощью программы Sigma Plot 10 показала [4, 5], что кривые охлаждения описывается уравнением с 6 параметрами:
(1)
где 
- разность температур нагретого тела и окружающей среды при 
, 
- разность температур нагретого тела в момент начала измерений и температуры, при котором излучения прекращается, tи, tт и tк - характерные времена охлаждения. Индексы и, т и к указывают на излучательной, кондуктивной и конвективной теплоотдачи/ Для простоты обозначения их заменили индексы на 1, 2, 3.
Дифференцируя уравнение (1), получим формулу для расчёта скорости охлаждения.
Экспериментально определенная значения скорости охлаждения позволяет вычислить коэффициентов конвективной αК и кондуктивной αИ теплоотдачи [4] по формулам:
и 
(2).
Где, m, S и C- масса, площадь поверхности и удельная теплоемкость тела, 
и 
- соответственно скорость охлаждения за счет конвекции и излучения.
Определение коэффициента излучательного теплообмена 
становится очень важным при проектировании оборудования, эксплуатируемого при высоких температурах. Под будем подразумевать коэффициент излучательной теплоотдачи поверхности образца. Так как в нашем случае воздух сухой, то его излучением можно пренебречь. Формула для расчета коэффициента излучательной теплоотдачи αИ [6] принимает вид:
, (3)
где 
и Т - коэффициент черноты и температура поверхности образца.
Из данных по температурной зависимости коэффициента излучательной теплоотдачи с помощью формулы (2) оценили степень черноты образца.
Как видно из Фиг. 6, ниже температуры 370 К степень черноты образца равна нулю, а с ростом температуры увеличивается. Численные значения, полученные в данной работе, хорошо согласуются с литературными для сильно оксидированной поверхности алюминия [7,8]. В имеющихся литературах данных о степени черноты алюминия приводятся только для определенной температуры. Температурной зависимости степени черноты для металлических образцов не встречается.
Для проверки полученных результатов вычисляем число Био [9]. Число Био представляет собой отношение скорости кондуктивного переноса тепла к скорости аккумулирования энергии в материале.
(4)
где, Вi – число Био, V и S -соответственно объем и площадь поверхности образца, α - коэффициент теплоотдачи от поверхности тела к окружающей среде, λ - коэффициент теплопроводности материала тела.
Для температуры 600 К общий коэффициент теплоотдачи алюминия марки
A5N 
, коэффициент теплопроводности при комнатной температуре 
, V/S = 0,603 10-2 м и Bi
0,000422. Согласно работам [10-11] при 
в каждый момент времени температура внутри такого тела успевает выровняться за счет интенсивного переноса теплоты теплопроводностью.
С помощью данной установки также можно определит температуры фазовых переходов в металлах и сплавах. На кривой охлаждения наблюдается аномалии в виде нагревания. В качестве примера на Фиг. 7 приведены зависимости температуры образца из стали 45 от времени охлаждения в интервале температуры от 750 до 35 0С.
На Фиг. 8 в качестве примера приведены зависимость скорости охлаждения от температуры образцов разного диаметра из стали марки 45.
Как видно из Фиг.8 в области около 675 0С наблюдается фазовый переход.
В данной установке расширено область изменение температуры (для каждого образца близко к температуре плавления), увеличивается точность измерения температуры фазового перехода, сокращено времени для обработки результатов.
Таким образом, предлагаемая установка обладает рядом преимуществ перед существующими устройствами подобного назначения: использование современной измерительной аппаратуры позволяет одновременное измерения температуры образца в трех точках, в металлах и сплавах в широком интервале температур и составов, сокращение времени для измерения и обработки, и высокая точность.
