Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения теплопроводности строительных, теплоизоляционных и иных материалов с повышенной точностью, в том числе нестандартных (единичный крупноформатный камень, кровельное покрытие) и особо больших размеров (например, большие каменные блоки с разнородной внутренней структурой, кладка из керамических камней, кровля) в области строительной индустрии, в научно-исследовательских и строительных лабораториях.

Уровень техники

Известны устройства для измерения теплопроводности, каждый из которых содержит измерительный блок, включающий верхнюю пластину-нагреватель, нижнюю пластину-холодильник. В пластинах размещены термопары, подключенные к измерительному блоку [патент RU 2096773, опубл. 20.11.1997; патент RU 2124717, опубл. 10.01.1999].

Недостатками устройства являются невозможность измерения образцов больших габаритов и наличие больших погрешностей при измерениях.

Известно устройство для измерения теплопроводности, содержащее тепловую пластину, холодную пластину и измерительный блок. Тепловая и холодная пластина выполнены с помощью модулей Пельтье [http://www.taurus-instmments.de/en/products/thermal-conductivity/taurus/tlp-900-zs-guarded-hot-plate.html?cat=16&cHash=b4514135e71784c59518e36f4d20abe2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является устройство для измерения теплопроводности, содержащее тепловой блок, состоящий из малого измерительного нагревателя, большого охранного нагревательного элемента и одной охранной пластины теплового блока, холодильный блок и измерительную зону, расположенную между тепловым и холодильным блоками [http://www.iztech.ru/goods/26/].

Основными недостатком известных устройств является возникновение трудностей равномерного распределения температуры при применении термоэлектрических модулей Пельтье для холодных пластин больших размеров и наличие больших энергозатрат за счет применения вышеуказанных модулей Пельтье.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании устройства для измерения теплопроводности нестандартных образцов больших размеров с разнородной внутренней структурой, не подвергая их процессу разрезания, с повышенной точностью.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в повышении точности проводимых измерений, наличии возможности измерения образцов больших размеров и образцов малых размеров при большой толщине, когда толщина образца превышает его высоту-ширину за счет габаритов установки и снижении энергозатрат, а также приближении проводимых измерений к реальным условиям (возможность поворота измерительной зоны на любой угол и поддержания температуры со стороны холодильного блока до -80, со стороны теплового блока до +60).

Поставленный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения теплопроводности включает тепловой блок, состоящий из малого измерительного нагревателя, служащего для измерения образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции, большого охранного нагревательного элемента и одной охранной пластины теплового блока, и холодильный блок, причем тепловой блок дополнительно содержит малый охранный нагревательный элемент, выполняющий охранную функцию в случае измерения образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции или выполняющий функцию большого измерительного нагревателя в случае измерения образцов больших размеров, причем малый измерительный нагреватель и малый охранный нагревательный элемент выполнены в виде пластин, вложенных одна в другую, а большой охранный нагревательный элемент выполнен в виде прямоугольной рамки, при этом малый измерительный нагреватель, малый охранный нагревательный элемент и большой охранный нагревательный элемент образуют единую измерительную систему нагревателей, вторую охранную пластину теплового блока, установленную над первой охранной пластиной теплового блока, при этом холодильный блок состоит из основания холодильного блока прямоугольной формы и охранной пластины холодильного блока, установленного под основанием, причем на основании холодильного блока и на каждой из охранных пластин теплового и холодильного блока закреплены трубы, составляющие змеевидный контур, по которым течет теплоноситель в случае теплового блока и хладоноситель в случае холодильного блока, между единой измерительной системой нагревателей, первой охранной пластиной и второй охранной пластиной теплового блока, а также между основанием холодильного блока и охранной пластиной холодильного блока находится теплоизоляция, причем на каждой из двух торцевых сторон устройства дополнительно размещена боковая охранная зона в виде системы, по меньшей мере, двух труб с теплоносителем, при этом температура в каждой трубе измеряется и регулируется в зависимости от температуры в тепловом и холодильном блоке, причем устройство выполнено с возможностью поворота, обеспечивающего поворот измеряемого образца, находящегося в нем. Кроме того, в частном случае реализации изобретения минимальный размер измерительной зоны составляет 219×250 мм, при минимальном размере малого измерительного нагревателя 219×250 мм.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения при выполнении малым охранным нагревательным элементом функции большого измерительного нагревателя максимальный размер измерительной зоны составляет 1700×1700 мм, при размере малого охранного нагревательного элемента 1500×1500 мм. Кроме того, в частном случае реализации изобретения на малом измерительном нагревателе, малом охранном нагревательном элементе, большом охранном нагревательном элементе установлены эталонные платиновые датчики температуры.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения эталонные платиновые датчики температуры установлены с возможностью их периодического съема для повторной проверки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения в качестве теплоизоляции между единой измерительной системой нагревателей и первой охранной пластиной теплового блока используется жесткая теплоизоляция. Кроме того, в частном случае реализации изобретения в качестве теплоизоляции между первой и второй охранной пластиной теплового блока и между основанием холодильного блока и охранной пластиной холодильного блока используется насыпная теплоизоляция.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения тепловой и холодильный блоки закреплены на четырех направляющих, которые движутся внутри линейных подшипников, для соблюдения параллельности всех элементов вышеуказанных блоков между собой.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно содержит домкраты, расположенные сверху и снизу, обеспечивающие автоматическое прижимание и фиксацию теплового и холодильного блока к измеряемому образцу с целью повышения точности измерения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно содержит системы орошения и излучающие лампы, моделирующие солнечный свет и дождь.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для измерения теплопроводности, где:

1 - малый измерительный нагреватель,

2 - малый охранный нагревательный элемент,

3 - большой охранный нагревательный элемент,

4 - жесткая теплоизоляция,

5 - насыпная теплоизоляция,

6 - трубы в виде змеевидного контура, закрепленные на первой охранной пластине теплового блока,

7 - трубы в виде змеевидного контура, закрепленные на второй охранной пластине теплового блока,

8 - вторая охранная пластина теплового блока,

9 - первая охранная пластина теплового блока,

10 - направляющая,

11 - линейный подшипник,

12 - боковая охранная зона,

13 - вал,

14 - большая цепная звездочка,

15 - подшипник,

16 - основание холодильного блока,

17 - трубы в виде змеевидного контура, закрепленные на основании холодильного блока,

18 - охранная пластина холодильного блока,

19 - трубы в виде змеевидного контура, закрепленные на охранной пластине холодильного блока,

20 - домкрат,

21 - ось,

22 - измерительная зона.

На фиг. 2 изображен фронтальный разрез единой измерительной системы нагревателей, где:

1 - малый измерительный нагреватель,

2 - малый охранный нагревательный элемент,

3 - большой охранный нагревательный элемент.

Для измерения теплопроводности материалов с повышенной точностью нестандартных и особо больших размеров предлагается устройство, создающее стационарный тепловой поток в образце, на основании которого измеряется теплопроводность. Стационарный тепловой поток через исследуемый образец создается с помощью теплового блока за счет наличия в нем малого измерительного нагревателя 1, предназначенного для измерения образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции, малого охранного нагревательного элемента 2, который помимо охранной функции, заключающейся в исключении тепловых потерь из малого измерительного нагревателя 1 в случае измерения образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции, может выполнять функцию большого измерительного нагревателя в случае измерения образцов больших размеров, большого охранного нагревательного элемента 3 и холодильного блока. Тепловой поток создается из-за разницы температур между тепловым и холодильным блоками. Большой охранный нагревательный элемент 3 представляет собой прямоугольную рамку и предназначен для предотвращения тепловых потерь из измерительного нагревателя 1 и охранного нагревательного элемента 2. Охранные пластины теплового блока 9, 8 предназначены для исключения тепловых потерь из единой измерительной системы нагревателей 1-3. На первой и второй охранной пластине теплового блока 9, 8 закреплены трубы в виде змеевидного контура 6 и 7 соответственно, по которым течет теплоноситель. Наличие труб в виде змеевидного контура, по которым течет теплоноситель, позволяет поддерживать равномерное распределение температуры на всех измерительных нагревателях 1-3 с повышенной точностью, за счет чего создается однонаправленный тепловой поток от измерительной системы нагревателей 1-3 в сторону образца. Также повышению точности измерений и равномерности поддержания температуры способствует наличие второй охранной пластины 8 в тепловом блоке. Холодильный блок состоит из алюминиевого основания 16 холодильного блока прямоугольной формы, на котором закреплены трубы в виде змеевидного контура 17, по которым течет хладоноситель (например, спирт). Под основанием холодильного блока 16 размещена охранная пластина холодильного блока 18, выполненная из алюминия, на которой закреплены трубы в виде змеевидного контура 19, по которому также течет хладоноситель. Охранная пластина холодильного блока 18 воспринимает на себя основной поток тепла из окружающей среды, минимизируя тем самым приток тепла от наружного воздуха к основанию холодильного блока 16 и обеспечивая тем самым необходимое для проведения измерений равномерное поддержание температуры по всей длине основания холодильного блока 16. На основании холодильного блока 16 возможно осуществить поддержание температуры до -80 С. Малый измерительный нагреватель 1, малый охранный нагревательный элемент 2, большой охранный нагревательный элемент 3 оснащаются эталонными платиновыми датчиками температуры (на чертежах не показаны) и автоматизированной аппаратурой для ее поддержания с целью минимизирования возможных разнонаправленных тепловых потоков от системы измерительных нагревателей. В качестве датчиков температуры применяются эталонные платиновые термометры, поверенные в установленном порядке. Причем предусмотрена возможность периодического съема этих датчиков для их повторной поверки. Между единой измерительной системой нагревателей 1-3 и первой охранной пластиной теплового блока 9 находится теплоизоляция 4, преимущественно жесткая - полистирольный пенопласт ПС-1-150, а между первой 9 и второй 8 охранными пластинами теплового блока и между основанием холодильного блока 16 и охранной пластиной холодильного блока 18 - теплоизоляция 5, преимущественно насыпная - круглые гранулы пенополистирола диаметром 1-2 мм. Назначение теплоизоляции - снижение возможного разнонаправленного движения тепловых потоков от единой системы измерительных нагревателей 1-3. При этом размеры малого измерительного нагревателя 1, малого охранного нагревательного элемента 2 и большого охранного нагревательного контура 3 могут быть изменены под конкретные измерения путем замены элементов вышеуказанной единой измерительной системы нагревателей 1-3 на новые других размеров в короткие сроки (сутки-двое).

Минимальный размер малого измерительного нагревателя составляет 219×250 мм, что таким образом задает соответствующий минимальный размер измерительной зоны 22 - 219×250 мм. Именно такие размеры измерительной зоны 22 предпочтительны при проведении измерений теплопроводности камня керамического крупноформатного со стандартными размерами лицевой и задней стороны 250×219 мм. Кроме того, при таких размерах измерительной зоны 22 возможно проводить измерения теплопроводности любых других материалов, в частности образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции (например, единичного образца кладки из керамических камней).

При выполнении малым охранным нагревательным элементом 2 функции большого измерительного нагревателя максимальный размер измерительной зоны составляет 1700×1700 мм, при размере малого охранного нагревательного элемента 2 - 1500×1500 мм, что позволяет измерять исследуемый образец со следующими максимальными габаритами: 1700×1700×700 мм. Измерительная зона 22 с такими размерами дает возможность измерять тепловой поток, а как следствие теплопроводность и термическое сопротивление больших неоднородных конструкций, например оконных проемов (сам стеклопакет имеет одно сопротивление теплопередаче, а рама, которая держит стеклопакет, а далее стена имеют другое значение). Можно установить конструкцию стены с окном и померить сопротивление теплопередаче всех этой конструкции. Таким образом наличие измерительной зоны таких размеров позволяет измерять большие неоднородные конструкции.

Таким образом за счет наличия в заявляемом устройстве дополнительного малого охранного нагревательного элемента 2, выполняющего помимо охранной функции еще и функцию большого измерительного нагревателя возможно проведение мультикомплексных измерений образцов как малых размеров, так и крупногабаритных образцов большой толщины.

Для отсечения боковых теплопритоков в исследуемый образец на каждой из двух торцевых сторон заявляемого устройства дополнительно размещена боковая охранная зона 12 в виде системы, по меньшей мере, двух труб с теплоносителем, температура в каждой трубе измеряется и регулируется в зависимости от температуры в тепловом и холодильном блоке и конструкции измеряемого образца. При наличии только одной трубы в боковой охранной зоне 12 не удается достигнуть большой точности измерений. Максимальное количество труб в системе предпочтительно выполнять не более 100. Размещение большего количества труб в боковой охранной зоне 12 является экономически неоправданным и трудоемким. Причем система труб боковой охранной зоны 12 выполняет как защитную функцию от боковых теплопритоков к образцу, так и защитную функцию от боковых теплопритоков в тепловой и холодильный блоки.

Также с помощью боковой охранной зоны 12 представляется возможным моделировать неравномерность приращения температуры от плоскости к плоскости, что актуально при измерении слоистых конструкций с несущей частью и теплоизолирующей. Наличие боковой охранной зоны 12 с возможностью регулирования и распределения температуры в ней за счет наличия системы, по меньшей мере, двух труб позволяет отсекать боковые теплопритоки как к исследуемому образцу, так и к тепловому и холодильному блокам, что приводит к повышению точности измерения при большой толщине исследуемого образца малого размера (например, камня крупноформатного 14,3 НФ) и слоистых конструкций больших толщин. Например, двуслойная стена из несущего бетона и теплоизоляции. В бетоне будет примерно одна температура, соответственно в боковой охранной зоне 12 напротив бетона тоже будет такая же температура, а в сечении теплоизоляции температура будет значительно разниться, следовательно, в боковой охранной зоне 12 напротив теплоизоляции температура будет примерно соответствовать температуре в теплоизоляции в каждом сечении. Также наличие боковой охранной зоны приводит к повышению точности измерений при низкотемпературных испытаниях, например, когда температура в холодильном блоке - 60°C.

Тепловой и холодильный блоки закреплены на четырех направляющих 10, которые ходят внутри линейных подшипников 11. Наличие 4-х линейных направляющих позволяет соблюдать параллельность всех элементов теплового и холодильного блоков между собой (отсутствует перекос при сжатии) и приводит к повышению надежности и точности (обеспечивается более плотное прилегание теплового и холодильного блоков).

Домкраты 20, установленные на противоположных сторонах заявляемого устройства, предназначены для регулирования положения теплового и холодильного блоков с целью измерения материалов и конструкций разной толщины. Также домкраты 20 позволяют прижимать тепловой и холодильный блок друг к другу или к образцу с усилием 40000 Ньютонов. Такое усилие гарантирует плотный контакт между образцом и блоками. Также это усилие может быть использовано для подпрессовки засыпок. Например, более четкое моделирование ситуации с засыпкой полов гравием из пеностекла. Нет необходимости предварительной утрамбовки перед испытанием.

Тепловой и холодильный блок могут открываться с помощью поворота относительно оси 21. Вся установка может вращаться на 180 градусов (90 градусов от вертикали в одну сторону и 90 градусов от вертикали в другую сторону) с помощью вала 13, закрепленного в подшипниках 15. Вращение производиться путем подключения двигателя с малой цепной звездочкой к большой цепной звездочке 14. Устройство поворота дает возможность моделирования различных углов наклона конструкции (например, крыш) и изучения конвективных составляющих теплопередачи. Возможность поворота установки и, следовательно, возможность поворота исследуемого образца в ней повышает правильность проведения испытания по отношению к реальным условиям и точность измерения. Так, например, воздушный зазор в 5 см при направлении тепла сверху-вниз имеет теплопроводность в 2 раза меньше, чем при направлении тепла справа-налево (или слева-направо), т.е. при повороте на 90 градусов. Это актуально при проведении измерений теплопроводности щелевого кирпича, конструкций кровель, которые в реальных условиях располагаются под углом, а не параллельно или перпендикулярно.

Заявляемое изобретение при необходимости оснащается дополнительно системами орошения и излучающими лампами, моделирующими солнечный свет и дождь.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Открываем заявляемое устройство для измерения теплопроводности и устанавливаем исследуемый образец в измерительной зоне 22 между тепловым и холодильным блоками. При необходимости оставшееся пространство заполняем теплоизоляционным материалом. Далее закрываем заявляемое устройство и с помощью домкратов 20 придавливаем холодильный и нагревательный блоки к исследуемому образцу. Поворачиваем на заданный угол установку в зависимости от исследуемого образца, находящегося в нем, и осуществляем включение установки. Задаем параметры температуры в холодильном блоке, а именно температуру основания холодильного блока 16, путем подачи хладоносителя в трубы змеевидного контура 17, на выходе из 17 хладоноситель поступает сразу в трубы змеевидного контура 19, закрепленные на охранной плите холодильного блока 18. Задаем параметры температуры в тепловом блоке, а именно температуры в единой измерительной системе нагревателей 1-3 и на первой охранной пластине теплового блока 9 (все температуры должны быть одинаковые), путем подачи теплоносителя в трубы змеевидного контура 6, закрепленные на первой охранной пластине теплового блока 9, на выходе из 6 теплоноситель поступает сразу в трубы змеевидного контура 7, закрепленные на второй охранной пластине теплового блока 8. Задаем температуру в боковой охранной зоне 12 путем подачи теплоносителя в систему, по меньшей мере, двух труб, в зависимости от исследуемой конструкции. В случае однородной конструкции осуществляется равномерное распределение температуры по слоям. В случае неоднородной (слоистой) конструкции осуществляется неравномерное распределение температуры по слоям, исходя из приблизительных расчетов распределения температуры (данные для расчета берутся по плотности и названию материала из общепринятых Стандартов и ГОСТов). Далее ждем стабилизации всех параметров, в том числе и температур внутри исследуемого образца. В заявляемом устройстве создается стационарный тепловой поток, проходящий через исследуемый образец, из-за разницы температур между единой измерительной системой нагревателей 1-3 и холодильным блоком 16-19. В случае измерения образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции у измерительного нагревателя 1 измеряется мощность, необходимая для поддержания его температуры постоянной. В случае измерения образцов больших размеров измеряется дополнительно мощность у малого охранного нагревательного элемента 2, выполняющего в данном случае функцию большого измерительного нагревателя, необходимая для поддержания его температуры постоянной. Исходя из мощности измерительного нагревателя 1 и его площади или из суммарной мощности малого измерительного нагревателя 1 и малого охранного нагревательного элемента 2 и их суммарной площади, с помощью известных формул рассчитывается тепловой поток через исследуемый образец, который необходим для расчета термического сопротивления либо теплопроводности.

Тепловой поток=потребляемая мощность нагревателя / площадь нагревателя q=Q/S, (Вт/мм²)

теплопроводность=тепловой поток × толщина образца / разница температур между основанием (16) и единой измерительной системой нагревателей (1-3) λ=q×δ/Δt (Вт/(мм×°C))

Вычисления теплового потока и соответственно теплопроводности осуществляются автоматизированно с помощью заданной программы в контроллере (на чертежах не показан). После проведенных вычислений и получения значения теплопроводности исследуемого образца выключаем заявляемое устройство и вынимаем из него образец.

Использование заявляемого устройства для измерения теплопроводности позволяет просто, надежно и с большой точностью проводить исследования как малых образцов большой толщины, не разрезая их, так и образцов больших габаритов. Кроме того, применение теплоносителя в трубах змеевидного контура 6, 7 по всех длине первой и второй охранных пластин теплового блока 9, 8 и хладоносителя в трубах змеевидного контура 17 по всей длине основания холодильного блока 16 и охранной пластины холодильного блока 18 существенно снижает энергозатраты по сравнению с применением модулей Пельтье, как в известных устройствах. Кроме того, такое устройство холодильного и теплового блоков приводит к повышению точности измерений за счет равномерного поддержания температуры, а наличие именно единой измерительной системы нагревателей 1-3 позволяет измерять как малые образцы большой толщины, так и, например, кладку в целом. При этом наличие большого количества охранных элементов (малого охранного измерительного элемента 2, охранных пластин теплового блока 9, 8) позволяет с большей вероятностью избежать тепловых потерь из единой измерительной системы нагревателей 1-3, приводя тем самым к повышению точности проводимых измерений. Кроме того, заявляемое устройство позволяет измерять образцы с размерами до 1700×1700×700 мм, т.е. позволяет измерять полноценные большие неоднородные конструкции, а не отдельно элементы, например крупноформатные камни, также возможно осуществить измерение теплопроводности толстых изделий (до 700 мм) целиком, не разрезая их на слои. Также наличие боковой охранной зоны 12 в заявляемом устройстве приводит к повышению точности измерения при большой толщине исследуемого образца и неравномерному температурному распределению внутри образца.

Предложение соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку его изготовление возможно при использовании существующих средств производства с применением известных технологий.