Патент на изобретение №2180440
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОЛИМЕРОВ
(57) Реферат: Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения состоит в том, что помещают исследуемый материал в виде пластины толщиной d с известной площадью сечения S в конденсаторный первичный преобразователь, содержащий два измерительных электрода с одинаковой рабочей емкостью Ср, расположенных по линии распространения тепла на расстоянии l друг от друга, и нагревательное устройство; задают режим нагрева и определяют мощность нагрева Р=UI; измеряют средние квадраты напряжения электрических флуктуаций  и диэлектрические характеристики:   – диэлектрическую проницаемость и  – коэффициент диэлектрических потерь без воздействия внешнего электрического поля и по полученным данным рассчитывают коэффициент теплопроводности  по приводимой формуле. Техническим результатом изобретения является повышение информативности результатов определения коэффициента теплопроводности. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации. Известны способы определения коэффициента теплопроводности полимеров (см. Годовский Ю. К. Теплофизические методы исследования полимеров. – М.: Химия, 1976, 216 с.), основанные на закономерностях стационарного и нестационарного теплового потока, в общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры Т как в пространстве, так и во времени:Т=f(х, у, z, t), (1) где х, у, z – координаты точки; t – время. Уравнения двухмерного температурного поля для режима стационарного: T = f(x,y);  T/t = T/z = 0; (2)нестационарного: T = f(x,y,t); T/z = 0, T/t  0. (3)Уравнение (4)  дифференциальное уравнение теплопроводности (или дифференциальным уравнением Фурье) для трехмерного нестационарного температурного поля при отсутствии внутренних источников теплоты. Оно является основным при изучении вопросов нагревания и охлаждения тел в процессе передачи теплоты теплопроводностью и устанавливает связь между временным и пространственным изменениям температуры в любой точке поля. Здесь ср – удельная теплоемкость,  – плотность.
Главный недостаток стационарных методов является длительность установления необходимого теплового режима при каждой заданной температуре. Существующие нестационарные методы имеют одно существенное ограничение – теория этих методов предполагает слабую зависимость теплофизических характеристик от температуры. Последнее ограничивает применение нестационарных методов в области фазовых и релаксационных переходов полимеров.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения теплопроводности материалов (см. А.с. СССР 1392475, кл. G 01 N 25/18), заключающийся в том, что воздействуют на образец линейным источником тепла, измеряют мощность источника тепла и температуру по линии воздействия в 2 момента времени. Коэффициент теплопроводности рассчитывают по формуле: Q – линейная плотность мощности источника, Вт/м; T1, T2 – термодинамические температуры, соответствующие времени измерения  1, 2; b – скорость разогрева.
Недостаток метода – нечувствительность к релаксационным процессам, происходящим в исследуемом образце.
Техническим результатом изобретения является повышение информативности результатов определения коэффициента теплопроводности.
Сущность изобретения состоит к том, что помещают исследуемый материал в виде пластины толщиной d с известной площадью сечения S в конденсаторный первичный преобразователь, содержащий два измерительных электрода с одинаковой рабочей емкостью Ср, расположенных по линии распространения тепла на расстоянии l друг от друга, и нагревательное устройство; задают режим нагрева и определяют мощность нагрева Р=UI; измеряют средние квадраты напряжения электрических флуктуаций  и диэлектрические характеристики: – диэлектрическую проницаемость и – коэффициент диэлектрических потерь без воздействия внешнего электрического поля и по полученным данным рассчитывают коэффициент теплопроводности : где k – постоянная Больцмана, 0– электрическая постоянная;  f – полоса частот; f – частота измерения среднего квадрата флуктуационных напряжений на зажимах соответственно первого –  и второго –  преобразователей; , – диэлектрические проницаемость и коэффициент потерь в месте размещения первичных преобразователей; U, I – напряжение и сила тока нагревателя, задающего поток тепловой энергии.
Предложенный способ поясняется следующей блок-схемой, представленной на чертеже. Образец 1 помещается в первичный измерительный преобразователь, состоящий из потенциальных электродов 2 и 3, нагревателя 4, электромагнитного экрана 6. Нагреватель подключен к блоку питания 5, напряжение на выходе которого контролируется вольтметром 8, сила тока – амперметром 9. Средний квадрат напряжения электрических флуктуаций определяется селективным вольтметром 7. Ключ К служит для выбора электрода.
Основные теоретические положения изобретения заключаются в следующем. Поместим полимерный диэлектрик в виде пластины толщиной d в двухэлектродный конденсаторный измерительный преобразователь с дисковыми электродами. Электроды располагают друг от друга на расстоянии l. Такой объект является шумящим двухполюсником, для которого в состоянии равновесия в области частот hf< Один из концов пластины нагревается. При этом в исследуемом образце создается градиент температур и начинается процесс переноса тепловой энергии. Примем следующие допущения: 1) внутренние источники теплоты отсутствуют; 2) среда, в которой распространяется тепло, однородна и изотропная; 3) используется закон сохранения энергии, который для данного случая формулируется так: разность между количеством теплоты, вошедшей вследствие теплопроводности в анализируемый образец за время dt и вышедшей из нагреваемой части за то же время, расходуется на изменение внутренней энергии рассматриваемого объема. Коэффициент теплопроводности исследуемого образца может быть определен как:  где Р – мощность нагревателя, определяемая как P=UI. Здесь U – напряжение источника питания, I – сила тока, потребляемая нагревателем. Определяя температуры T1, T2 по направлению распространения тепловой энергии на основе измерения средних квадратов тепловых электрических флуктуации, существующих на зажимах первичных преобразователей  соответственно, и диэлектрические характеристики при данных температурах (см. патент РФ 1746281, кл. G 01 N 27/22): – диэлектрическую проницаемость и – коэффициент диэлектрических потерь, рассчитываем коэффициент теплопроводности по формуле: где k – постоянная Больцмана; 0– электрическая постоянная; f – полоса частот; f – частота измерения среднего квадрата флуктуационных напряжений па зажимах соответственно первого –  и второго –  преобразователей.
Предлагаемый способ определения коэффициента теплопроводности полимерных материалов позволяет существенно расширить экспериментальные возможности анализа высокомолекулярных соединений.
Формула изобретения
 и диэлектрические характеристики: – диэлектрическую проницаемость и – коэффициент диэлектрических потерь без воздействия внешнего электрического поля и по полученным данным рассчитывают коэффициент теплопроводности  где k – постоянная Больцмана; 0 – электрическая постоянная;f – полоса частот;f – частота измерения среднего квадрата флуктуационных напряжений на зажимах соответственно первого  и второго  преобразователей;U, I – напряжение и сила тока нагревателя, задающего поток тепловой энергии. РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 06.01.2002
Номер и год публикации бюллетеня: 23-2003
Извещение опубликовано: 20.08.2003
|
||||||||||||||||||||||||||
