×
07.06.2019
219.017.754f

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области прецизионных измерений теплоемкости. Исследуемый образец с предварительно установленным термометром помещают в адиабатический контейнер с нагревателем известной теплоемкости, пропускают через нагреватель измерительный импульс электрического тока, за счет выделения теплоты, обеспечивающий заданный подъем температуры образца. Далее исследуемый образец замещают эталонным образцом с такими же геометрическими размерами, заведомо не меньшей теплоемкостью и снабженным дополнительным нагревателем. При этом эталонный образец и контейнер с известными массами изготавливают из одного и того же диэлектрика. Затем повторяют измерительный импульс и синхронно пропускают через дополнительный нагреватель дополнительный импульс, достигая заданного подъема температуры. После окончания эксперимента определяют искомую теплоемкость, вычитая отношение количества теплоты, выделенного за счет дополнительного импульса, к заданному перепаду температуры из произведения отношения массы эталонного образца к суммарной массе эталонного образца и контейнера на разность частного от деления суммарного количества теплоты, выделенного за счет повторного и дополнительного импульса, на заданный подъем температуры и теплоемкости нагревателя. Технический результат - обеспечение возможности определения теплоемкости исследуемого материала в расширенном диапазоне без проведения дополнительного эксперимента с полым контейнером, что приведет к увеличению диапазона и точности определения теплоемкости исследуемого материала. 1 ил.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплоемкости материалов с эталонной точностью.

Теплоемкость материалов на практике наиболее часто определяют в адиабатическом контейнере как отношение количества теплоты, полученного исследуемым веществом, к вызванному им изменению температуры.

Известен способ определения теплоемкости материала одновременно с определением его температурного расширения (RU 2439511 C1, G01K 17/00, G01N 25/20, 10.01.2012), согласно которому искомое значение теплоемкости получают на основе результатов нескольких опытов в адиабатическом контейнере.

Основной недостаток данного способа заключается в необходимости проведения опыта по определению теплоемкости полого контейнера, что приводит к увеличению погрешности определения теплоемкости исследуемого материала.

Известен также способ определения теплоемкости материалов, который по совокупности признаков, является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения (Френкель И.М., Сергеев О.А. Государственный первичный эталон единицы удельной теплоемкости твердых тел в интервале температур от 273,15 до 700 К // Измерительная техника, 1975, №4. - С. 45-49).

Согласно этому способу исследуемый образец из корунда, с предварительно установленным термометром, помещают в адиабатический контейнер известной массы из чистого серебра с нагревателем из нихрома, пропускают через нагреватель измерительный импульс электрического тока, за счет выделения теплоты Q обеспечивающий заданный подъем температуры образца ΔT, и с учетом дополнительного опыта по определению теплоемкости полого контейнера определяют искомую теплоемкость Сэ по формуле

Сэ=(Q/ΔТ-Сп),

где Сп=Qп/ΔTп - теплоемкость полого контейнера, определяемая при пропускании через нагреватель второго измерительного импульса, за счет выделения теплоты Qп обеспечивающего подъем температуры ΔТп.

Теплоемкость термометра и изменение адиабатических условий, возникающее вследствие значительного отличия массы полого и заполненного контейнера, в прототипе не учитываются.

Здесь исследуемый образец одновременно является эталонным, поскольку входит в состав государственного первичного эталона (ГПЭ) ГЭТ 60-74. Нижняя граница диапазона значений удельной теплоемкости, воспроизводимых ГПЭ (ГОСТ 8.141-75), составляет 50 Дж/(кг⋅К), в то время как минимальная (при температуре 273 К) удельная теплоемкость эталонного образца из корунда, с помощью которого воспроизводится единица, составляет 717 Дж/(кг⋅К) (МИ 2590-2008 ГСОЕИ. Эталонные Материалы). Причем при каждом значении температуры в заявленном диапазоне с помощью ГПЭ можно определить лишь одно значение теплоемкости, воспроизводимое одним эталонным образцом из корунда, то есть в данном случае он представляет собой однозначную меру теплоемкости (ОМТ).

Основными недостатками данного способа являются недостаточно широкий диапазон определения теплоемкости, а также необходимость проведения эксперимента по определению теплоемкости полого контейнера, которую невозможно рассчитать с заданной точностью из-за влияния достаточно большой теплоемкости электроизоляционного материала между нагревателем и контейнером. Согласно оценке источников не исключенных систематических погрешностей (НСП), выполненной в вышеуказанной статье, необходимость проведения эксперимента по определению теплоемкости полого контейнера приводит к увеличению погрешности определения теплоемкости исследуемого материала в 1,4 раза.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является возможность определения теплоемкости исследуемого материала в расширенном диапазоне без проведения дополнительного эксперимента с полым контейнером, что приведет к увеличению диапазона и точности определения теплоемкости исследуемого материала.

Технический результат достигается тем, что исследуемый образец с предварительно установленным термометром помещают в адиабатический контейнер с нагревателем известной теплоемкости, пропускают через нагреватель измерительный импульс электрического тока, за счет выделения теплоты обеспечивающий заданный подъем температуры образца. В отличие от известного способа исследуемый образец замещают эталонным образцом с такими же геометрическими размерами, заведомо не меньшей теплоемкостью и снабженным дополнительным нагревателем. При этом эталонный образец и контейнер с известными массами изготавливают из одного и того же диэлектрика. Затем повторяют измерительный импульс и синхронно пропускают через дополнительный нагреватель дополнительный импульс, достигая заданного подъема температуры. После окончания эксперимента определяют искомую теплоемкость, вычитая отношение количества теплоты, выделенного за счет дополнительного импульса, к заданному перепаду температуры из произведения отношения массы эталонного образца к суммарной массе эталонного образца и контейнера на разность частного от деления суммарного количества теплоты, выделенного за счет повторного и дополнительного импульса, на заданный подъем температуры и теплоемкости нагревателя.

На фиг. показана схема реализации заявляемого способа.

В устройстве для реализации заявляемого способа термометр 1 установлен в шарообразный эталонный образец 2 с намотанным на его поверхность дополнительным нагревателем 3, который окружен сферическим адиабатическим контейнером 4 с намотанным на его поверхность нагревателем 5. Исследуемый образец, вместо которого устанавливается эталонный образец 2 с теми же геометрическими размерами, на фиг. не показан.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Исследуемый образец с предварительно установленным термометром 1, помещают в адиабатический контейнер 4, пропускают через нагреватель 5 измерительный импульс электрического тока, за счет выделения теплоты обеспечивающий заданный подъем температуры образца. Исследуемый образец замещают эталонным образцом 2. Затем повторяют измерительный импульс и синхронно пропускают через дополнительный нагреватель 3 дополнительный импульс, достигая за счет суммарного выделения теплоты заданного подъема температуры. После окончания эксперимента определяют искомую теплоемкость, вычитая отношение количества теплоты, выделенного за счет дополнительного импульса, к заданному перепаду температуры из произведения отношения массы эталонного образца к суммарной массе эталонного образца и контейнера на разность частного от деления суммарного количества теплоты, выделенного за счет повторного и дополнительного импульса, на заданный подъем температуры и теплоемкости нагревателя.

Оценим преимущества заявляемого способа по сравнению с прототипом.

Не теряя общности рассуждений, пренебрежем теплоемкостью и массой термометра аналогично тому, как это сделано в прототипе. При необходимости их можно учесть так же, как теплоемкость нагревателя и массу контейнера.

Уравнение для определения суммарной теплоемкости системы тел Сс, состоящей из исследуемого образца и контейнера, изготовленных из одного и того же диэлектрика, с учетом поправки на теплоемкость нагревателя Сн имеет вид:

Удельная теплоемкость используемого диэлектрика с равна:

где mo - масса исследуемого (эталонного) образца;

mк - масса контейнера.

Теплоемкость контейнера Ск составит:

С учетом выражения (1) и (3) уравнение измерений теплоемкости исследуемого образца С имеет вид:

или, после группировки и приведения подобных членов:

В устройстве, реализующем предлагаемый способ, уравнение для определения суммарной теплоемкости системы тел состоящей из эталонного образца, снабженного дополнительным нагревателем с теплоемкостью Сд, и контейнера, с учетом поправки на теплоемкость нагревателей имеет вид:

где Q' - количество теплоты, выделяемое измерительным импульсом для обеспечения заданного подъема температуры эталонного образца ΔT.

С учетом равенства масс исследуемого и эталонного образца получим:

Сравнивая выражения (2) и (6), получим, что

Аналогично уравнениям (4), (5) получим уравнение измерений при замещении исследуемого образца снабженным дополнительным нагревателем эталонным образцом:

При подстановке в выражение (9) значения Q'/ΔТ из уравнения (7) и приведения подобных членов формула (9) становится идентичной формуле (5). Это означает, что эталонный образец при пропускании повторного измерительного импульса точно воспроизводит теплоемкость замещенного исследуемого образца и может быть использован в качестве ОМТ без проведения дополнительного эксперимента с полым контейнером. Таким образом, точность заявляемого способа в предельном случае, при равенстве теплоемкости исследуемого и эталонного образцов, в 1,4 раза выше прототипа.

Произведем сравнительную оценку метрологических характеристик заявляемого способа и прототипа при теплоемкости исследуемого образца Сх, меньшей чем эталонного:

При выполнении условия (10) уравнения (4) и (8) примут вид:

где Qx - необходимое для создания заданного перепада температуры количество теплоты, выделяемое за счет пропускания измерительного импульса;

- необходимое для создания заданного перепада температуры количество теплоты, выделяемое за счет пропускания измерительного импульса;

Qд - количество теплоты, выделяемое при пропускании дополнительного импульса через дополнительный нагреватель.

При подстановке в выражение (12) значения Q'/ΔТ из уравнения (7) и приведения подобных членов формула (12) становится идентичной формуле (11) при выполнении условия Это означает, что при реализации предлагаемого способа точно воспроизводят теплоемкость любого замещенного исследуемого образца с теплоемкостью, меньшей чем у эталонного.

Таким образом, вместо осуществляемого в прототипе метода определения теплоемкости в диапазоне от 50 до 717 Дж/(кг⋅К) с градуировкой прибора в одной точке по одной ОМТ, воспроизводящей 717 Дж/(кг⋅К), заявляемый способ реализует метод замещения, позволяющий сравнивать любое определяемое значение теплоемкости с единицей, воспроизводимой эталоном именно в этой точке, что характерно для многозначной меры теплоемкости (ММТ).

Следует отметить, что заявляемый способ не впервые в области прецизионных теплофизических измерений реализуется с помощью многозначных мер с управляемыми внутренними источниками теплоты. Так, благодаря известным способам определения теплопроводности (RU 2276781 C1, G01N 25/00, 20.05.2004 и RU 2343466 C1, G01N 25/18, 10.01.2009), внедренным в ГПЭ, удалось повысить точность определения теплопроводности в полтора раза по сравнению с лучшими национальными эталонами развитых стран и расширить имевшийся ранее диапазон с 0,1-20 до 0,02-500 Вт/(м⋅К) (Соколов Н.А., Соколов А.Н., Чурилина Н.В. Государственный первичный эталон единиц теплопроводности и теплового сопротивления ГЭТ 59-2016 // Измерительная техника, 2018, №4. - С. 3-7).

Понятно, что устройство для реализации метода замещения, фактически представляющее собой компаратор, обладает значительно более высокой точностью.

Подставим значение найденное из уравнения (13), в выражение (12). С учетом равенства (7) после группировки и приведения подобных членов получим уравнение воспроизведения единицы теплоемкости с помощью ММТ:

Пример реализации дает численную оценку точности заявляемого способа.

В качестве материала для изготовления ОМТ и контейнера могут быть использованы различные пластмассы, стекла, фарфор, керамика. Удельная теплоемкость подобных материалов может быть порядка 800-2000 Дж/(кг⋅К). С целью лучшего выравнивания температурного поля ОМТ контейнер прототипа выполнен из серебра, обладающего высокой теплопроводностью. С этой точки зрения, для изготовления ОМТ и контейнера для реализации заявляемого способа целесообразно выбрать бериллиевую керамику, также обладающую достаточно большой теплопроводностью.

Для определенности примем удельную теплоемкость материала контейнера равной 1000 Дж/(кг⋅К), плотность 4 т/м3, внешний диаметр контейнера по аналогии с прототипом примем равным 75 мм, внутренний - 71 мм. Нетрудно подсчитать, что для этого случая теплоемкость ОМТ составит примерно 750 Дж/К, теплоемкость контейнера 134 Дж/К и теплоемкость контейнера с ОМТ 884 Дж/К.

Нагреватель может быть изготовлен из платины. Ее удельная теплоемкость составляет 140 Дж/(кг⋅К). Для определенности примем, что нагреватель из платиновой проволоки диаметром 0,1 мм равномерно покрывает всю поверхность контейнера с шагом 3 мм. Теплоемкость такого нагревателя составит примерно C1=0,13 Дж/К, что по отношению к теплоемкости контейнера с ОМТ, дает пренебрежимо малое значение, в относительной форме не превышающее 0,015%. Учитывая, что НСП прототипа составляет 0,05%, а ожидаемая НСП заявляемого способа - в 1,4 раза меньше, т.е. 0,035%, поправку на теплоемкость нагревателя можно не вводить.

НСП воспроизведения единицы с помощью ММТ согласно уравнению (14) определяется точностью измерений массы, заданного перепада температуры и разности количеств теплоты, выделенной нагревателями. Оценка составляющих НСП, выполненная в прототипе, позволяет пренебречь погрешностью измерений массы и принять НСП измерений перепада температуры ΘT=0,01%, а количества теплоты - ΘQ=0,004%. При уменьшении воспроизводимой теплоемкости разность между количествами теплоты, выделенной основным и дополнительным нагревателем, будет уменьшаться, что приведет к плавному увеличению погрешности и ограничению диапазона измерений. Например, при уменьшении воспроизводимой теплоемкости вдвое Θ0,5Q=0,008%. При этом точность ММТ по-прежнему будет выше, чем у прототипа.

Таким образом, точность заявляемого способа существенно выше прототипа в расширенном диапазоне определения теплоемкости.

Способ определения теплоемкости материалов, заключающийся в том, что помещают исследуемый образец с предварительно установленным термометром в адиабатический контейнер с нагревателем известной теплоемкости, пропускают через нагреватель измерительный импульс электрического тока за счет выделения теплоты, обеспечивающий заданный подъем температуры образца, отличающийся тем, что исследуемый образец замещают эталонным образцом с такими же геометрическими размерами, заведомо не меньшей теплоемкостью и снабженным дополнительным нагревателем, причем эталонный образец и контейнер с известными массами изготавливают из одного и того же диэлектрика, затем повторяют измерительный импульс и синхронно пропускают через дополнительный нагреватель дополнительный импульс, достигая заданного подъема температуры, после чего определяют искомую теплоемкость, вычитая отношение количества теплоты, выделенного за счет дополнительного импульса, к заданному перепаду температуры из произведения отношения массы эталонного образца к суммарной массе эталонного образца и контейнера на разность частного от деления суммарного количества теплоты, выделенного за счет повторного и дополнительного импульса, на заданный подъем температуры и теплоемкости нагревателя.
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 21.
27.08.2013
№216.012.6511

Способ контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для увеличения межкалибровочных или межноверочных интервалов в процессе эксплуатации интеллектуальных средств измерений (ИСИ). Сущность: в процессе эксплуатации периодически определяют значения измеряемой величины и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491510
Дата охранного документа: 27.08.2013
20.03.2016
№216.014.caf8

Способ измерения электрической емкости и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе, измеряемой путем счета электронов. Согласно способу постоянный электрический ток воспроизводят с помощью цепи, выполненной в виде измеряемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002577803
Дата охранного документа: 20.03.2016
25.08.2017
№217.015.c196

Интеллектуальное средство измерений температуры

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для увеличения длительности межкалибровочного интервала (МКИ) интеллектуального средства измерений температуры. Интеллектуальное средство измерений температуры (ИСИТ) содержит термочувствительный элемент,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617458
Дата охранного документа: 25.04.2017
01.07.2018
№218.016.6983

Квантовый трап-детектор

Изобретение относится к области измерительной техники и касается квантового трап-детектора. Квантовый трап-детектор содержит два фотодиода, установленные под заданным углом в виде клина, причем длина каждого фотодиода и угол между ними обеспечивают рассчитанное, для заданной точности,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659329
Дата охранного документа: 29.06.2018
23.04.2019
№219.017.36de

Способ измерения спектрального коэффициента излучения тела

Изобретение относится к измерительной технике в области теплофизики высоких температур и высокотемпературной метрологии. Заявленный способ включает сбор и фокусирование излучения от термостабилизированного тела, преобразование его полихроматического излучения в монохроматическое, измерение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002685548
Дата охранного документа: 22.04.2019
10.07.2019
№219.017.ac43

Способ определения теплопроводности материалов

Изобретение относится к области теплофизических измерений. Плоский исследуемый образец известной толщины и плоский эталонный образец с известным тепловым сопротивлением приводят в тепловой контакт. Создают заданную разность температуры между внешними плоскостями эталонного и исследуемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002343466
Дата охранного документа: 10.01.2009
16.08.2019
№219.017.c03d

Способ измерения показателя инфракрасной видности и инфракрасной дальности видимости объекта

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям и классификации тепловых полей объектов с использованием инфракрасных средств измерений, и предназначено для использования при испытаниях инфракрасной видности техногенных и биологических объектов. Способ заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697402
Дата охранного документа: 14.08.2019
02.10.2019
№219.017.d0ee

Способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта

Изобретение относится к измерительной технике в области пирометрических измерений, предназначено для градуировки пирометров излучения, измерения температуры реальных объектов и может быть использовано в метрологии, в промышленности, при выполнении научных исследований. Изобретение заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002700338
Дата охранного документа: 16.09.2019
13.12.2019
№219.017.ecd3

Способ измерения объемного электрического сопротивления

Изобретение относится к измерительной технике в области исследований электрических параметров изделий и предназначено для измерения объемного электрического сопротивления различных изделий, в том числе для изделий из высокоэлектропроводных материалов. Сущность способа измерения объемного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708712
Дата охранного документа: 11.12.2019
22.12.2019
№219.017.f0df

Способ измерения температурной зависимости коэффициента теплопроводности электропроводящих материалов при высоких температурах

Изобретение относится к измерительной технике, в частности - к измерениям теплофизических свойств материалов, которые эксплуатируются в области высоких температур, где свойства имеют ярко выраженную зависимость от температуры. Сущность изобретения заключается в том, что для получения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709708
Дата охранного документа: 19.12.2019
Показаны записи 1-8 из 8.
10.04.2013
№216.012.3455

Способ определения теплопроводности материалов

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в том, что температурная деформация изгиба эталонного образца компенсируется...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478940
Дата охранного документа: 10.04.2013
27.04.2013
№216.012.3b4a

Способ теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительной конструкции

Использование: для теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительной конструкции. Сущность: заключается в том, что устанавливают на обеих сторонах строительной конструкции один напротив другого плоские теплоизолированные коробы с плоскими термостатами, имеющими линейные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002480739
Дата охранного документа: 27.04.2013
20.07.2014
№216.012.e0ee

Воздушная фурма доменной печи

Изобретение относится к черной металлургии, в частности, к воздушной фурме доменной печи. Воздушная фурма содержит полый водоохлаждаемый корпус и расположенные в верхней части внутреннего стакана выступающие в рабочий дутьевой канал сопла для подачи газообразного топлива. Сопла выполнены...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002523368
Дата охранного документа: 20.07.2014
10.11.2014
№216.013.0534

Способ привязки времени в измерительных комплексах для оценки качественных параметров обмена ip-пакетами

Изобретение относится к технике связи, а именно к сетям с пакетными технологиями передачи и коммутации. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения исследуемых параметров в измерительных комплексах и, как следствие, в повышении качества передачи данных по сетям...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532730
Дата охранного документа: 10.11.2014
13.01.2017
№217.015.6ac2

Научно-исследовательский тренажерный комплекс моделирования операций управления ледовой обстановкой вокруг морских плавучих и гравитационных сооружений

Научно-исследовательский тренажерный комплекс моделирования операций управления ледовой обстановкой вокруг морских плавучих и гравитационных сооружений содержит универсальный навигационный тренажер, блок физического моделирования движения ледокольных судов. Универсальный навигационный тренажер...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002593171
Дата охранного документа: 27.07.2016
18.05.2019
№219.017.5b3e

Способ создания изображений трехмерных объектов для систем реального времени

Изобретение относится к трехмерной визуализации в реальном времени. Техническим результатом является увеличение скорости визуализации. В способе на каждом визуальном образе объекта выделяют простые геометрические примитивы, по которым строят геометрию объекта, восстанавливают трехмерный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002467395
Дата охранного документа: 20.11.2012
10.07.2019
№219.017.ac43

Способ определения теплопроводности материалов

Изобретение относится к области теплофизических измерений. Плоский исследуемый образец известной толщины и плоский эталонный образец с известным тепловым сопротивлением приводят в тепловой контакт. Создают заданную разность температуры между внешними плоскостями эталонного и исследуемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002343466
Дата охранного документа: 10.01.2009
16.05.2023
№223.018.5d9d

Феррозондовый магнитометрический датчик

Изобретение относится к области радиоизмерений. Феррозондовый магнитометрический датчик содержит магнитопровод, а также сердечники на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилитель возбуждения, обмотки возбуждения, два приемных колебательных контура с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002757650
Дата охранного документа: 19.10.2021
+ добавить свой РИД