Способ определения теплофизических свойств материалов Советский патент 1983 года по МПК G01N25/18 

ренной. температуры зависит от подводимой энергии, тепловых свойств образца, теплообмена свободной поверхности образца с окружающей средой И т.д.

Кроме того, возникают дополнительные погрешности из-за измерения температуры в плоскости контакта исследуемого образца и контрольного образца. Поведение изотермических линий в зоне контакта двух тел показывает, что при измерении температуffti в плоскости контакта датчик может находиться либо в зоне единичного теплового пятна, либо в зоне повышенного теплового сопротивления, что и приводит к значительным случайным погрешностям.

Целью изобретения является повышение точности определения теплофизических свойств материалов. 29-оА.л/5е/-М,VW -t fe o l/S--fe о 4-AxVa;o/2c o К ,......,;( v() . ). nr-s t-uKVouo/iao 1 H- Ay /gtijCarcco lS j .НГеГ где ,a,U - теплопроводность, температуропроводностьи толщина исследуемого образца соответственно; ОгОо теплопроводность, тем- 45 пературопроводность контрольных образцов; go/U; - амплитуда и частота синусоидальных колебаНИИ теплового потока; to амплитуда синусоидальных колебаний регистрируемой температуры; т - сдвиг фазы синусоидальных колебаний регистри- 55 руемой температуры относительно синусоидалБных колебаний теплового потока; расстояние между поверхностью первого контрольного образца, контактирунадей с исследуемым образцом,и точкой регистрации температуры.

Цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических свойств материалов, заключающемуся- в том, что приводят в тепловой контакт исследуемый образец в виде пластины и контрольный образец в виде полубесконечного тела, затем воздействуют на поверхность исследуемого образца, противоположную контрольному образцу, периодическими колебаниями теплового потока и регистрируют изменение температуры контрольного образца, поверхность образца, подвергаемую тепловому воздействию, приводят в тепловой контакт со вторым дополнительным.контрольным образцом в виде полубесконечного тела, выполненного из того же материаша, что и первый контрольный образец, а определение теплофизических свойств -осуществляют по формулам 5 e -Ч1;- Ь (-f-) - -4iib% |C05-Jf На чертеже показана схема, поясняющая способ определения тепловых свойств материалов. Схема содержит полубесконечные тела 1 и 2 (с точки зрения распространения тепловых колебаний с известными и равными тепловыми свойствами, например плавленый кварц или полиметилметакрилат, плоский источник тепловых колебаний 3,представляющий собой, например, нагреватель из металлической фольги, исследуемый образец 4 в виде пластины или пленки и датчик 5 температуры. Вывод расчетных выражений для определения тепловых свойств материалов получают из решения математической задачи. Считают, что начальная температура равна нулю, а плотность теплового потока нагревателя pasHa Qo(t)--%C05(.Wc,t). Математическая формулировка эада5 для трехслойной модели имеет следующий вид в безразмерных координаTax:).1, ,fo70..lX№. ,F, (y,Fo).9VtfX,fo) , 3Fo эх iVO, a),Fo),2,i; 6)X«O.W(V,Fo)Wi(x,Fo7:.9waOt,Fo),.aw, . ЭХ ЭХ )XH,Wa(4,fo)Wi{V,o), A .Fo).-&W tyvFo) 9X -эх «eint/Wi(X,Fo)/,,Fo) Решение данной задачи, незави «ее от начальных условий, для си соидсшьных колебаний ищут в виде oCX,Fo)Uj(x e ;.jr,«,i. Общее решениедифференциальны уравнений для UjCX) записывается дующим образом: О, W- С.е , иа( V4uJ7A . tH(x)C4e Константы С, , С и Q|. опр ляются, исходя из граничных услов -- С,-Сд,1-т:т,(с-,,-с.)1 г Cv6 -GjfC V MV(fe)(fe)V--- - узы, 0 S AX-/CUo/2ao «

V ux-V - -2}E-arccoe

v( -Ч5„- Н

w/xtic vf Ax-V 4j/2ao 2s:№ht« бхУЩ аух:сов v - feT« -ЛХ УоЙОе agi,.nfae

и(л.|ш:-ъте- ° «(й , г o /uJTA .. -ViSVAT, - лт(1Ш(г v,t,e -С,е ; -Сд Для контрольного образца, в котоом производится измерение синусоиальных колебаний, температуры, можно аписать - -11Нш) -/(-й-л) Ч -АГе- 1 Так как приведенная температура 9)CXfo)ReOj(X), то, взяв реальную acTbj можно записать решени е задачи )Ap - H nг-e,{X,Fo)« 17т Т оН Ро-«н).ч) YUJ /AVclS| a nCCOS Л. . уяхо( u«r-tarccoa к/лиА р ) где константы ot. }Ь. и безразмерные параметры выражаются следующим образом:.( (.ATV t -A - lsin/ll; |A--bsA -% U -52: ,-.Ши; U)TO 1 a OQ f Q- ч Ж Из полученного решения путем несложных преобразований получаем SHa чение для актлитуды и сдвига фазы : синусоидальных колебаний темпераФуры в размершш координатгос 2.(Sr)««V ь : ®-A U() « Ло °-4€-fe - -4i- IH Способ определения тепловых свойств материалов осуществляется следующим образом. Задают фиксированные частоту и амплитуду синусоидальных тепловых колебаний в нагревателе. Затем производят измерение амплитуды и сдвига фазы синусоидальных колебаний температуры в первом контрольном образце. По измеренным амплитуде и, сдвигу фазы синусоидальных колебаНИИ температуры, используя приведенные формулы, определяют теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца. Экспериментальные исследования тепловых свойств предлагаемым способом проводят на образцах в виде плас тин толщиной от 1 до 15 мм при разных фазовых состояниях вещества. Пример. Образец (аргеллит) толщиной 2 мм и диаметром 30 мм . помещают между контрольными образцами (полиметилмётакрилат) толщиной 40 мм и диаметром 30 мм, теплопроводность,- 0,195 и температуропроводност - 11,15 X /с. Тепловой поток амплитудой 157.6 Вт/м и частотой 0.0942 Гц задают от кварцевого генератора тепловых колебаний Измерение температуры проводят термо парой, -рабочий спай которой находится на расстоянии 1 мм от поверхности ,первого контрольного образца, а холодный - на противоположной поверхности данного образца. При этом амп литуда температурных колебаний равна 0.111 к, а сдвиг фазы 2,04 рад. Для данного образца получают следующие значения тепловых характеристик: теплопроводность 1.16 , температуропроводность 6.06 X 10 м/с и теплоемкость 1863 Дж/кг К. П р и м е р 2. Ъбразец (битумная нефть), зазор 1 мм, тепловой поток амплитудой 157,6 Вт/м и частотой 0.047 Гц, контрольные образцы полиметилметакрилат. Измеряют амплитуду колебаний температура О, и сдвиг фазы - 1.55 рад. Определяют тепловые свойства; теплопроводность - 0.110 , темпе.

: fc7e: -4- 4-We- - ;при

о 4 -AxVct)o/2ao К

( )

«f x-/ arcco5

V(Vl.(/5-b)-.j(a--|)J

при 1C V-uXVci5 j2JQ7 i5t ратуропроводность - 0.61 х и теплоемкость - 1898 Дж/кг К. П р и м е р 3. Образец (воздух). Уdлoвйя проведения эксперимента аналогичны примеру 2, Измеряют амплмтуду колебаний температуры 0.127к и. сдвиг фазы - 1.80 рад. Определяют тепловые свойства; теплопроводность - 0.025 Вт/м« К, температуропроводность - 194 х х 1СГмУс и теплоемкость-1071 Дж/кг К. Приведение поверхности образца в тепловой контакт со вторым контрольным образцом в предлагаемом изобретении обеспечивает повышение точности по сравнению с известным способом. Кроме того, становится возможным проведение исследований образцов в разных фазовых состояниях, что большое значение при бурении и разработке мерзлых толщ Земли, причем упрощается проведение определения тепловых свойств материалов, так как отпадает необходимость в измерении температуры на свободной поверхности образца. Формула изобретения Способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийся ,в том, что -приводят в тепловой контакт исследуемый образец в виде плайтины и контрольный образец в виде полубесконечного тела, затем воздействуют на поверхность исследуемого образца, противоположную контрольному образцу, периодическими колебаниями теплового потока и регистрируют изменение температурь контрольного образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точное- ти определения, поверхность образца, подвергаемую тепловому воздействию, (приводят в тепловой контакт со вторым дополнительным контрольным образцом в виде полубесконечного тела, выполненным из того же материала, что и первый контрольный образец, а определение теплофизических свойств осуществляют по формулам

(Ji-fel c«{J§ i-K€-fe.()

«А1с-/Щ - Я:агссо%

(-fc№()-. ,

де Л.,а,14 - тепл«эпроводн9сть, температуропроводностьи толщина исследуемого образца соответ- п ствемно;

- теплопроводность, температуропроводностьконтрольных образцов; Qf. (tto амплитуда и частота . синусоидгшьных колебаний теплового потока . to - амйлитуда синусоидальных колебаний регистрируемой температуры,

f - сдвиг фазы синусоидальных колебаний регистрируемой температуры относительно синусоидальных колебаний теплового потока,

X - расстояние между поверхностью первого контрольного образца, контактируемой б исследуемым образцом, и точкой регистргщии температуры.