Измеритель теплопроводности материала

[Gera]

Здравствуйте, товарищи изобретатели! Возникла идея сделать прибор по измерению теплопроводности разных твердотельных материалов. Возможно кто сталкивался с схемой такого прибора, подскажите пожалуйста. Или поделитесь мыслей как можно сделать. Заранее спасибо!

[Пухич]

Здравствуйте, товарищи изобретатели! Возникла идея сделать прибор по измерению теплопроводности разных твердотельных материалов. Возможно кто сталкивался с схемой такого прибора, подскажите пожалуйста. Или поделитесь мыслей как можно сделать. Заранее спасибо!

Ну делали у нас такие приборы. В чем конкретно проблема?

[Gera]

Опишу подробнее:
Надо дать относительную оценку теплопроводности для двух разных строительных материалов (например кирпичей). Тоесть прибор должен быть прост и удобный в эксплуатации.
Поскольку принцип распространения звуковой энергии такой же как и тепловой, то думаю, что можно материал прозондировать звуком. На одном краю кирпича задать звук определенной интенсивности, на противоположном снять звуковой сигнал и сравнить входную и выходную интенсивность (или амплитуду). Чем меньшая интенсивность на выходе тем меньшая теплопроводность.
Вот только затрудняюсь в плане электроники. Как сделать генератор и приемник звука, так чтобы сравнить сигналы и отобразить это на индикатор. Если кто делал чтото подобное, очень прошу поделитесь схемой. Заранее спасибо!

[Сэр Мурр]

Упс! А Вы уверены в 100% корелляции тепло-и звуко-проводности? Я- не уверен.
Мне кажется, надо поступать так- один конец исследуемого материала нагревается с постоянной температурой? на другом конце температура измеряется. При равенстве температур( на заданном уровне точности, например 10%) испытания прекращаютс. Есно, иссследуемый материал закрыт теплоизолятором, для предотвращения потерь- за исключением точек нагрева и съёма температуры.
Ну, а теперь, по времени уравнивания температур, и количеству отданного тепла, рассчитать теплопроводность.

[Gera]

В 100% корелляции не уверен! Но принцип передачи тепловой и звуковой энергии в твердом теле аналогичен (Передача кинетической энергии через атомы решетки).
Сначала думал так как предлагаете Вы. Но в этом случае будет сложно задать постоянную температуру, и не практично, когда например, хочем измерять теплопроводность пенопласта. Прибор должен быть прост в эксплуатации и необязательно измерять точное значения коеф. теплопроводности. Нужно дать относительную оценку.

[Сэр Мурр]

Упс! Мой очень скромный опыт измерения температур показывает, что быстрота измерения и точность- две вещи несовместные.
Относительные измерения- немного другое дело, тут можно использовать два кирпича- образцовый и исследуемый. Но если пенопласт..Тут быстро не получится, однозначно.
Если ориентироваться на проводимость звука- то надо иметь кучу эталонных образцов, у которых известно оба параметра; что подразумевает большую предварительную работу. Но пуркуа бы не па, если есть время на исследования эталонных образцов.

[YAA]

.......
Поскольку принцип распространения звуковой энергии такой же как и тепловой, то думаю, что можно материал прозондировать звуком................

Теплопроводность, скорее, коррелирует с электропроводностью, и то - для металлов....
Так что лучше всего измерения, максимально приближенные к прямым. Задавать поток тепла и мерить градиент температуры.

[Lonleystranger]

Можно попробовать и без теплоизолирующей камеры. Иметь эталонные образцы и 4 датчика - два на эталонном и два на исследуемом с нагреваемой и с измеряемой стороны.
Проблемы:
1. Нужен плотный контакт с образцами, решение - возможно использование 4-х бесконтактный инфракрасных термометров, но это довольно дорого.
2. Два образца д.быть как можно ближе по толщине друг к другу. Или же тогда если они не близки, надо вводить толщину исследуемого образца, и по этой величине будет уже вычисляться...

[Yellow Tiger]

...принцип передачи тепловой и звуковой энергии в твердом теле аналогичен (Передача кинетической энергии через атомы решетки).

Даже в столь приблизительном изложении, такая "аналогия" не сгодится и на роль первой версии - взять хотя бы тот факт, что распространение звука сопровождается переходом энергии звука в тепло, а распространение тепла - не сопровождается, ибо тепловая энергия - последнее пристанище, дальше преобразовываться уже некуда.
Мерять надо сам процесс передачи тепла - помещать стандартный керн материала в калориметр (чтобы исключить поперечные потоки тепла, оставив только измеряемые), и ... как уже было написано выше, только нужно не ждать выравнивания температур ("на заданном уровне точности, например 10%"), как я полагаю, а мерить разницу температур на концах керна, по истечении некоторого промежутка времени, так как теплопроводность, насколько я помню, измеряется именно в терминах тепловой мощности, передаваемой через единичное сечение при разнице температур в 1 градус. Время придется выбирать тем большим, чем большая точность потребуется - чтобы всё успело устаканиться.

В качестве аналогии, я бы посоветовал познакомиться с рассчетами радиаторов для охлаждения мощных п/п компонентов. На этом сайте, и-то, таких тем несколько.

P.S.
На практике, в силу чрезвычайно низкой теплопроводности воздуха, можно, повидимому, проводить измерения просто в воздухе, а не в теплоизолирующем цилиндре.

[AngRUS]

Да уж сложный момент, одно дело измерять теплопроводность плотного однородного тела, здесь еще модно обеспечить хороший контакт нагревателя - измерителя, а с другой неоднородного пористого, мож можно применить инфракрасный излучатель и приемник?

[Yellow Tiger]

Абсолютно исключено. Да и тепловой контакт, кстати, здесь вовсе не проблема.

[Пухич]

Я тут пропадал временно, так что отвечаю только аж сейчас.

У нас делали установку, например, для измерения теплопроводности дерева (были у другие установки, но эта наиболее близка к вашему случаю). Суть в том, что для обеспечения наилучших условий измерения, в круглой (внимание) заготовке делается центральный канал, в который закладывают нагреватель, выдающий стабильную тепловую мощность (иногда требуется очень высокая стабильность, вплоть до питания от источников постоянного тока), а также первый датчик. Второй датчик (а лучше несколько вторых датчиков) закладываются в каналы на равном расстоянии от центрального канала. Иногда делается несколько групп каналов на разных расстояниях. Все это аккуратно и с достоинством. Затем добиваются устаканивания температуры и меряют разницу температур, которая при условно известной мощности дает нам тепловое сопротивление.

[Yellow Tiger]

Затем добиваются устаканивания температуры и меряют разницу температур, ...

Вот именно – разницу температур на концах теплового канала!

А вот всех этих сложностей:

... стабильную тепловую мощность ... Второй датчик (а лучше несколько вторых датчиков) закладываются в каналы на равном расстоянии от центрального канала.

можно избежать, если основывать измерение на сравнении с керном эталонного материала - тогда количество тепла можно вовсе исключить из уравнения.

[Пухич]

Затем добиваются устаканивания температуры и меряют разницу температур, ...

Вот именно – разницу температур на концах теплового канала!

Так это вроде очевидно, я уж так упомянул....

А вот всех этих сложностей:

... стабильную тепловую мощность ... Второй датчик (а лучше несколько вторых датчиков) закладываются в каналы на равном расстоянии от центрального канала.

можно избежать, если основывать измерение на сравнении с керном эталонного материала - тогда количество тепла можно вовсе исключить из уравнения.

Фокус в том, что методически это не очень удобно. Поэтому обычно проводят несколько сравнений с эталоном (до тех пор она считается "условно известной и стабильной"), а затем вводят поправки и полагают, что мощность далее безусловно известна и постоянна. А вот закладывать несколько датчиков на одинаковом расстоянии необходимо тогда, когда материал анизотропен (у дерева так и есть обычно) в разных направлениях. Затем ищут среднее.

[Yellow Tiger]

Так это вроде очевидно, я уж так упомянул....

Если ознакомитесь с предыдущими постами, то увидите, что это не столь очевидно - были и другие предположения.

Фокус в том, что методически это не очень удобно.

Возможно... методически... Зато очень удобно практически, так как полностью исключит необходимость не только поддерживать постоянной, но даже и измерять тепловую мощность. Раз человеку нужен прибор для практических измерений, то это обстоятельство, я полагаю, его заинтересует, так как упростит и устройство прибора (а значит и размер, и стоимость его самого, и стоимость его эксплуатации), и процесс измерений.

По поводу конфигурации датчиков, снимающих показания...
Исходя из предположений автора по поводу устройства прибора:

На одном краю кирпича задать ... на противоположном снять ... и сравнить входную и выходную интенсивность ...

могу предположить, что анизотропность материалов не исследуется. Ну, скажем, как в кевларовые пластинки - никто же не стреляет сбоку...

[Пухич]

могу предположить, что анизотропность материалов не исследуется. Ну, скажем, как в кевларовые пластинки - никто же не стреляет сбоку...

Кстати зря.

Зато очень удобно практически, так как полностью исключит необходимость не только поддерживать постоянной, но даже и измерять тепловую мощность.

Зато не нужен эталон. Иногда это оказывается очень важно. Я не сам этим занимался, а только соприкасался, но те люди, которые этим занимались, имели веские основания не использовать эталонный метод, хотя им предлагали. Одно из оснований - хотели сей метод воткнуть в промышленные измерения, а там нынче некошерно эталоны применять. Я верю их опыту в данном случае, хотя строго говоря один вариант не хуже другого - мощность несложно поддерживать постоянной.

[Yellow Tiger]

Зато не нужен эталон. ... нынче некошерно эталоны применять. Я верю их опыту в данном случае,...

Вообще-то, любой процесс измерения - это сравнение с эталоном; и замена одного эталона (в данном случае - теплопроводности) каким-либо другим (эталоном тепловой мощности, эталоном электрической мощности) не означает, что в новом варианте эталон более не применяется. Слова "кошерно/некошерно" - это не аргументы, а скорее попытка скрыть их отсутствие. Любая схема измерений обладает своими преимуществами и недостатками. Скажем, при необходимости измерять сложные тепловые профили в анизотропных материалах, применение схемы со сравнением было бы затруднено, проще, действительно, разместить правильным образом датчики температуры. Но при такой схеме необходимо замерять поток тепловой мощности, да ещё и стабилизировать его. Уверен, что автор вопроса, или те люди, которые формулируют ему задачу, выберут ту схему, которая более подходит к их условиям, исходя из того, что:
- применение схемы со сравнением позволяет получить результат простым измерением трёх температур,
- измерение без эталона теплопроводности требует, помимо измерения двух температур, еще и измерять передаваемую тепловую мощность, а кроме того - стабилизировать её.
Видится мне, что "их опыт" сводится не к отсутствию эталона, а к учёту тех условий/требований, которыми отличалась их задача.

Y.T.> в кевларовые пластинки - никто же не стреляет сбоку...
Пухич> Кстати зря.

Думаю - если дать вам хоть вагон патронов, вы с двадцати шагов в боковой срез кевларовой пластинки ни разу не попадёте - тоненькая она очень. Да и в известных изделиях пластинки эти расположены так, что попадание всегда ближе к фронтальному, чем к продольному. В общем, если испытывающие их профессионалы в них сбоку не стреляют, значит это нафик не нужно; как вы правильно заметили - "доверьтесь их опыту в данном случае".

[Пухич]

Вообще-то, любой процесс измерения - это сравнение с эталоном; и замена одного эталона (в данном случае - теплопроводности) каким-либо другим (эталоном тепловой мощности, эталоном электрической мощности) не означает, что в новом варианте эталон более не применяется.

Это все очевидно, я вообще о другом - прямое заимствование эталонов вкупе со схемами прямого сравнения в конструкции измерительного прибора нынче почти не применяется, будучи замененным на некий, например, полупроводниковый датчик чего-то, косвенно определяющий некую связанную величину. Далее идет математика, заводские настройки поправок и т.д. Вы же предлагаете прямо использовать эталон в измерениях. Я не говорю, что это плохо, я говорю, что на нынешнем этапе это уже не массово, и даже некошерно при возможности сделать косвенные измерения.

Но при такой схеме необходимо замерять поток тепловой мощности, да ещё и стабилизировать его.

Это опять же несложно на нынешнем этапе развития. Обеспечивают высочайшую точность регулирования мощности даже при питании от сети, обеспечивая при этом полный выход на новую уставку в пределах полупериода. Такие дела.

Видится мне, что "их опыт" сводится не к отсутствию эталона, а к учёту тех условий/требований, которыми отличалась их задача.

Разумеется. Одна из причин кроется в самом измеряемом объекте - чураки.

Думаю - если дать вам хоть вагон патронов, вы с двадцати шагов в боковой срез кевларовой пластинки ни разу не попадёте - тоненькая она очень. Да и в известных изделиях пластинки эти расположены так, что попадание всегда ближе к фронтальному, чем к продольному. В общем, если испытывающие их профессионалы в них сбоку не стреляют, значит это нафик не нужно; как вы правильно заметили - "доверьтесь их опыту в данном случае".

Господи, я же шучу.

В известных изделиях эти пластинки расположены так, что попасть в них с торца вообще невозможно. Только если в пылу рукопашной.

[Yellow Tiger]

...схемами прямого сравнения ... нынче почти не применяется, будучи замененным на некий ... датчик чего-то, косвенно определяющий некую связанную величину...

Человек искал конкретных рекомендаций для конкретного случая – тут слова "некий датчик чего-то, косвенно определяющий некую величину" не в тему – ему их ни с чем не сравнить, ни по одному из понятных параметров. Вот, два уже названных варианта – сравнить можно, а этот "некий" – никак; а значит – и прийти к выводу, что "некая" косвенная схема измерений лучше конкретной прямой – невозможно.

Это опять же несложно на нынешнем этапе развития.

Разумеется несложно (см. P.S.), только это всяко - более трудоёмко, чем не делать этого вовсе.
Всего-то нужно - измерить три температуры и по полученному коэффициенту пропорциональности пересчитать к-т теплопроводности эталона в к-т теплопроводности измеряемого материала (как с этими двумя резисторами - поток у них один, и поэтому сопротивление одного вычисляется по известному сопротивлению второго и пропорции падений напряжения на каждом):


P.S. Впрочем, "несложно стабилизировать и измерить тепловой поток" – это только на первый взгляд, а на практике могут появиться нюансы, связанные не с подачей постоянной мощности на нагреватель, а с какими-либо неприятностями, возникающими в процессе передачи этой (тепловой) мощности в измеряемый образец – в тихом омуте, черти (как известно) водятся... Как именно эти черти выглядят, и как разойтись с ними миром – будет выяснять тот, кто выберет вариант измерений без эталона теплопроводности, но с замером теплового потока. Мягких и немногочисленных ему шишек...

[Пухич]

а с какими-либо неприятностями, возникающими в процессе передачи этой (тепловой) мощности в измеряемый образец – в тихом омуте, черти (как известно) водятся... Confused Как именно эти черти выглядят, и как разойтись с ними миром – будет выяснять тот, кто выберет вариант измерений без эталона теплопроводности, но с замером теплового потока. Мягких и немногочисленных ему шишек..

А вот и нет. С трудностями точной передачи теплового потока столкнется также и тот, кто будет юзать эталон, бо надо будет обеспечить равные условия теплопередачи для эталона и образца (например равные переходные сопротивления), что как раз таки не всегда так легко, а кроме того электроникой не обеспечивается, стало быть возлагается на оператора. А он - самое слабое звено.

Человек искал конкретных рекомендаций для конкретного случая – тут слова "некий датчик чего-то, косвенно определяющий некую величину" не в тему

Мы уже перешли на общности, отсюда и речь.