Способ определения коэффициента температуропроводности твердых тел Советский патент 1983 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофиэическим измерениям и может быть использовано для измерения температуропроводности материалов, преимущейтвенно металлов, в широком диа пазоне температур, Известен способ определения температуропроводности материалов для измерений в широком интервале температур нестационарным методом с использованием так называемлх регу лярных тепловых режимов. Измерение температуропроводности с использованием регулярного режима первого рода состоит в том, что образец из исследуемого материала помещают в среду с постоянной температурой Т, измеряют разность между температурой среды и температурой Т какой-либо точки внутри образца в различные моменты времени, а темпе ратуропроводность ее рассчитывают по формуле Cl, Недостатком указанного способа является то, что он практически не пригоден для веществ с высокой температуропроводностью, в частности металлов, и их надежное измерение возможно лишь на очень больших образцах либо с созданием специальных режимов с быстрым теплообменом между средой и образцом. Кроме того этот способ не может быть без дополнительных о.пераций использован для определения температурной зависимости температуропроводности. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения темпера туропроводности с использованием регулярного режима 3-го рода, согласно которомуДЛИННЫЙ стержень с теплоизолированной боковой поверх ностью нагревают с одного конца так чтобы его температура изменялась по закону гармонического колебания с круговой частотой w, измеряют температуры на расстояних Х2 от обогреваемого конца, находят разнос фаз Ч колебаний этих температур, а температуропрододность определяют по формуле С2 3. Используемая расчетная формула получена для полубесконечного тела поэтому при расчете температуропроводности реальных конечных образцов снижается точность результатов измерений, что в конечном счете делае их приближенными, Для повышения точности измерений прозводят дополнительные операции, например, помещают образец в управляемую адиабатическую оболочку и проводятнесколько измерений на разных частота Это усложняет способ и в реальных условиях при высоких температурах не избавляет от неконтролируемых теплопотерь, связанных например, с неодинаковым распределением температуры по длине образца и адиабатического экрана, обусловленным неоднородностью температурного поля вдоль образца. Кроме того, точность .измерений зависит от точности определения координат базовых точек и от ,конструкции и геометрических размеров датчиков температур. Цель изобретения - повышение точности за счет упрощения способа при одновременном сокращении времени определения. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента температуропроводности твердых тел, в котором нагревают исследуемый образец заданной формы внешним источником тепла по закону простого гармонического колебания с заданной частотой, измеряют температуры на разных расстояниях от обогреваемой поверхности образца, измеряют разность фаз колебаний этих температур , по которым рассчитывают искомый коэффициент непрерывно измеряют тепловое расширение образца, о которому определяют фазу колебаний среднеобъемной температуры образца, измеряют разность фаз колебаний температуры обогреваемой поверхности и среднеобъемной температуры, а коэффициент температуропроводности эе определяют из отношения частоты колебаний температуры источника тепла к разнести фаз колебаний температуры поверхности и среднеобъемной температуры образца по формуле Зе- к -iiiК - постоянный коэффициент для . образца заданной формы и размера (например, к пластины; К для сферы ;ДЛЯ цилиндра fc d - толщина 1тЛастины, диаметр цилиндра или сферы), ш- круговая частота колебаний температуры источника тепла ; разность фаз колебаний температуры поверхности образца и его среднеобъемной температуры. 11редлагае№ й способ основан на том, что изменение объема тела (а значит и его линейных размеров) определяется его средней температурой. Это позволяет для определения коэффициента температуропроводности по ра1зности фаз между температурами на разном расстоянии от поверхности образца, обогреваемого внешним источником тепла, по закону простого гармонического колебания измерять лишь температуру поверхности, а в качестве сигнала об изменении второй температуры использовать термическое расширение образца, по которому определяют изменение среднеобъемной температуры. Использование среднеобъемной температуры приводит к том что отпадает необходимост,ь измерять расстояния от поверхности, на которых производится измерение температур. Кроме того, использование измере ния разности фаз между температурой поверхности и среднеобъемной темпер турой позволяет применить для ;рас чета формулы, выведенные для образц имеющих по крайней мере один конечный размер (пластина, цилиндр, сфер Как показывают расчеты, если тем пература поверхности образца Т изме няется по закону Т Tf, sin ujt, где т - температура поверхности об разца; Т - амплитуда колебаний темпер туры поверхности/ to - круговая частота колебаний температуры поверхности t - время то среднеобъемная температура образца Tos ;п( u)t - к где - среднеобъемная температура образца; TQ - амплитуда колебаний средне объемной температуры; J - круговая частота колебаний среднеобъемной температуры t - время , . X. - температуропроводность образца; . К - коэффициент, учитываквдий геометрию образца при вы боре частоты так, чтобы ч TJ частота; at - температуропроводность; d - толщина пл;астины или диаметр цилиндра или. сферы).. При зтом выбирают пластину и цилиндр такими, чтобы их боковые повер ности на несколько порядков превышали поверхности торцов во избежание краевых эффектов. Термическое удлинение (изменение толщины.пластины или диаметра цилинд ра или сферы) образца пропорционально средней температуре и равно sin( uit - К где лл - тепловое расширение о й азца;d - начальный размер образца/ например толщина пластины, диаметр цилиндра или сферы cL - коэффициент линейного теплового расширения материала образца W-- круговс1Я частота колебаний температуры или удлинения; эс - коэффициент температуропроводности;К - коэффициент, учитывающий геометрические параметр образца. Таким образом, разность фаз iJ oлeбaний температуры йоверхности Т и удлинения равна л f К откуда следует, что , где ее - коэффициент температуропроводности ; К - коэффициент, учитывающий геометрические параметры образца; 00 - круговая частота колебаний теьшературы источника тепла;Д - разность фаз колебаний температуры поверхности и среднеобъемной температуры ббразца. Таким образом, по сравнению с известным способом в предлагаемом отсутствуют погрешности, вызванные необходимостью применять в эксперименте модель полубесконечного тела, например длинный стержень с теплоизолированной боковой поверхностью (для снижения влияния на результаты измерений неконтролируемых теплопотерь) . Принятая последовательность операций позволяет определить коэффициент температуропроводности при Зсщанных размерах образца и заданной частоте колебаний .во времени температуры источника тепла по разности фаз колебаний. температуры поверхности и среднеобъемной температуры образца. Пример. Для проверки предлагаемого способа пpoвoдяi исследоваНие температурной зависимоститемпературопроводности никеля (99,99%) в интервале температур 300-1000 к. В качестве образца выбрана пластина рсщиуса 3 см и толщиной ,5 см мплитуда колебаний температуры поверхности составляла 0,5 к и частота ы.гО,1 кГц. Измерения проводят чеез каждые 20 К от 300 до 500 К и от 700 до 1000 К. В области фазового ревргицения (500-700 К) измерения роводят каждфде 10 К. Для измереИНН колебаний толщины пластины исользуют автоматический дилатометр с ифференциальным индукционным датчиом, имеющий чувствительность к маым перемещениям - i 5 -10 . Теповой режим эксперимента выдерживат с помощью программного регулятора емпературы. Температуру п.оверхности образца измеряют с помощью термо-ч пары ХА. Результаты измерений регистрируют на электронных самопишущих потенциометрах КОП-4. Значения коэффициента температуропроводности рассчитывают по формуле л - . Щ аг- -,-2 -. Сопоставление полученных результатов с данными, полученными с помощью известных способов, показывает , что предлагаемый способ по чувствительности и точности значительно превосходит известный способ и одновременно позволяет получить полезней эффект сокрсИдения времени определени Так, время, необходимое для получения представленной кривой, сокращается по сравнению с базовым способом и прототипом в два раза за счет исключения второго измерения и упрощения расчетов. При сопоставлении предлагаемого способа с известным видно, что предлагаемый существенно упрощает определение коэффициента температуропроводности (сокращаются более чем в 2 раза основные и подготовительные операции5 и соответственно сокращается время определения. Эффект повынения точности и сокращения времени усиливается при определении температурной зависимости темперЕтуропроводности в особенности в области средних и высоких температур.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ K03 M«ЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ TBEPftJX ТЕЛ, в которот нагревают .исследуемой образец заданной {юрмы внааним источником теппа по закону простого гармонического колебания с заданной частотой, измеряют температуры на разных расстояниях ot обогреваемой поверхности образца, измеряют разность фаз ко- лебаний этих температур, по которым рассчитывают HCKONbrtt коэффициент, отличающий ся тем, чтб, с целью повышения точности за счет упрощения способа при одновременном сокращении времени определения, не-. прецялвно измеряют тепловое расшире- ние образца, по которому определяют фазу колебаний среднеобъемной температуры образца, измеряют разность фаз колебаний температуры обогревае Мой, поверхности и среднеобъемной гтемпературы, а коэффициент темпера;туропроводности определяют из I отношения частоты колебаний темпера;туры источника тепла к раз ности фаз : колебаний температуры поверхности и среднеобъемной температуры образца по формуле и ае К 1W ;где w 7 круговгш частота колебаний (Л температуры источника теп: л с лЧ - разность фаз колебаний темпе1ратуры поверхности образца и его среднеобъемной температуры J К - коэффициент, учитывающий геометрические параметры образца. со 00 00 ел