Способ определения теплофизических свойств материалов Советский патент 1984 года по МПК G01N25/18 

/® /

I

/

/

X

:п

/ Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических свойств материалов. По основному авт.св. № известен способ определения теплофизических свойств материалов, включаклций нагрев поверхностей последовательно расположенных эталонного и иСследуемь1х образцов подвижным точечным источником энергии и измере ние предельной избыточной температуры, поверхности образца по линии перемещения источника энергий, датчиком температуры, двигающимся с фиксированным отставанием от источника энер гии 03 . Недостатком известного способа йвляется невозможность определения всего комплекса теплофизических свойств материала. . Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа Цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических свойств материалов осуществляют нагрев образцов линейным источником энергии, расположенным перпендикулярно к направлению движения, поеле чего по соответствующим формулам рассчитывают искомые величины. На фиг. 1 приведена схемарасположения сосредоточенного источника энергии и датчика температуры относительно эталона с известными коэффициентом теплопроводности и объемной теплвемкостью исследуемых образцов, на фиг. 2 - схема расположения линейного источника энергии температу ры относительно эталона с известным коэффициентом теплопроводности и объемной теплоемкостью и исследуе мых образцов. . i. . . . . - ,, , , Сосредоточенный источник 1 энергии и датчик 2 температуры помещены над эталоном 3 и исследуемыми образцами 4. Буквой Н обозначено направление перемещения сосредоточенного источника 1 энергии и датчика 2 температуры относительно эта лона 3 и исследуемьк образцов 4, X расстояние отставания области измер ния температуры датчиком температуры от пятна нагрева поверхности твердых тел сосредоточенным источником энер гии, расстояние отставания обла сти измерения температуры датчиком температуры от линии нагрева поверх ности твердых тел линейным исто.чником энергии. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Измеряют начальные температуры поверхности эталона с известными коэффициентом теплопроводности и объемной теплоемкостью и поверхностей исследуемых образцов. Начальные температуры можно определить, перемещая датчик температуры вдоль поверхностей эталона и исследуемЫх образцов или измеряя температуры эталона и исследуемых образцов в любой точке их поверхностей, поскольку в пределах эталона и каждого из исследуемых образцов температура перед началом . измерений должна быть одинакова. . Затем сосредоточенный источник 1 тепловой энергии постоянной мощности (фиг. 1), например электрическую лампу типа КЗ-8-50 с малопротяженной нитью накала с встроенным сферическим зеркальным отражателем и малым пятном нагрева, сфокусированным на поверхности нагреваемых твердых тел и датчик температуры 2 (например, бесконтактный датчик, регистрирующий температуру нагреваемой поверхности по ее электромагнитному излучению оптическим способом), жестко связанный с сосредоточенным источником 1, начинают перемещаться с одинаковой и постоянной скоростью вдоль поверхности эталона 3 с известными коэффициентом теплопроводности и объемной . теплоемкостью поверхностей исследуемых образцов 4 в направлении Н, при ЭТОМ датчик 2 температуры располагается так, чтобы он измерял температуру нагреваемых поверхностей по линии перемещения пятна нагрева сосредоточенного источника 1. Расстояние отставания X области измерения температуры датчиком 2 температуры от пятна нагрева сосредоточенного источника f устанавливают таким, чтобы выполнялось соотношение . : . .... где К - коэффициент сосредоточенности источника 1 энергии, который позволяет рассматривать источник как точечный. . . Толщины эталона 3 и исследуемых образцов 4 должны быть не меньше расстояния отставания X, чтобы можно . ыло рассматривать процесс их нагрева как нагрев точечным источником олубесконечного тела. После окончания периода теплонасьпцения датчик 2 температуры регистрирует предельную температуру нагреваемой поверхности эталона 3, соответствующую установившемуся квазистационарному режиму нагрева. Аналогично датчик 2 температуры регистрирует предельные температуры поверхностей, нагреваемых сосредоточенным источником 1, для каждого из исследуемых образцов 4. По разности предельной температуры нагрева эталона 3 и измеренной ранее начальной температуры этого эталона 3 определяют избыточную предельную температуру нагрева его поверхности. Затем по разности предельной температуры нагрева и измеренной ранее начальной температуры каждого из исследуемых образцов. 4 опреде.ляют избыточную предельную ; температуру нагрева поверхности для каждого из исследуемых образцов 4. Для каждого исследуемого образца коэффициент теплопроводности определяют по формуле эт: .: . ОРр 9Т Т , ОЬр I , g-f - коэффициенты теплопроводности образца и эталона соответственно, Tpgp,T.j|- избыточные предельные температуры Образца и эталона соответственно После выравнивания температур по объему эталона и исследуемых образцо их измеряют. После этого начинают перемещать линейный источник 1 тепловой энергии постоянной мощности и датчик 2 температуры в направлении Н вдоль п верхностей эталона 3 и исследуемьк образцов 4,при этом располагают линейный источник энергии 1 вдоль поверхности 3 и исследуемых образцов 4 пер пендикулярнЬ к направлению переметеНИН Н, В качестве линейного источника 1; энергии можно использовать, например, электрическую лампу типа КГ 220-1000 с протяженной прямой нитью, длина которой составляет 15 с и с цилиндрическим отражателем, фоку сирующим излучение лампы на поверхность эталона и исследуемых образцов в виде прямой линии. Линейный источник 1 энергии можно также получить путем развертки вдоль прямой линии чтуча лазера непрерывного действия. Линейный источник 1 энергии и датчик 2 температуры, жестко связанный с линейным источником 1 энергии,, перемещают вдоль поверхности эталона 3 и исследуемых образцов 4 с одинаковой и постоянной скоростью. Расстояние отставания X области измерения температуры датчиком 2 температурд 1 от линии нагрева поверхности этсшона 3 и исследуемых образцов 4 линейным источником 1 устанавливают таким, чтобы выполнялось соотношение ., Т.5а |Х /де а - верхняя граница диапазона возможного изменения коэффициента температуропроводности для исследуемьк твердых тел, V - скорость перемещения. После окончания периода тегшонасыщения датчик 2 температуры регистрирует предельную температуру нагреваемой поверхности эталона 3, соответствующую установившемуся квазистационарному режиму нагрева. Аналогично датчик 2 температуры регистрирует предельные температуры поверхностей, нагреваемых линейным источником 1 энергии, для каждого из исследуемых образцов 4. По разности предельной температуры нагрева эталона 3 линейным источником 1 и измеренной ранее уста новйвшейся температурй эталона 3 определяют избыточную предельную температуру нагрева его поверхности . линейным источником 1. Затем по разности предельной температуры нагрева линейным источником 1 и измеренной ранее установившейся температуры каткдого из исследуемых образцов 4 определяют избыточную предельную температуру нагрева поверхности линейным источником 1 для каждого из исследуемьк образцов 4. При нагреве поверхности полубес конечного тела линейным подвижным источником энергии избыто }ная предель- . нал температура нагреваемой поверхности тела в точке, перемеща ющейся вслед за источником с такой, же скоростью, что и источник, определяется формулой. 41 где Т. избыточная предельная температура нагреваемой поверх ности полубесконечного твер дого тела в точке, следующей за линейным источником с такой же скоростью, что и источник, CJ, - мощность линейного источника на единицу его длины, - коэффициент теплопроводноI сти полубескЪнечного тела, X - расстояние отставания точки в которой определяется температура тела, от источника О - коэффициент температуропроводности твердого тела, ,,, ( - функция Бесселя второго pool о а пя нулевого порядка от apriy п . Известно, что при расстоянии от.ставания, удовлетворяющем условию . можно упростить функцию Бесселя KgC-g) следующим образом: Подставляя упрощенное значение функции Бесселя в формулу для избыточной предельной температзгры Т нагреваемой поверхности полубесконечного твердого тела в точке, следующей за линейным источником с такой же скоростью, что и источник, и считывая, что где ср объемная теплоемкость твердого тела, получают iVX4 iCp Это вьфажение справедливо и для эталона с известными коэффициентом теплопроводности: Ji и объемной теплбемкостью (ср)., которым соответствует измеренная для эталона при нагреве линейным источником избыточная предельная температура Т , и для каждого из исследуемых образцов с определенными для них ранее коэффициентами теплопроводности Л ggp и неизвестной объемной теплоемкостью (ср )оБр..Так как величина о X остается постоянной во время всего процесса нагрева линейным источником эталона и исследуемых образцов, то объемную теплоемкость для каждого исследуемого образца можно определить по формуле: TLx (:р)п {4бр(ту

X

4:

У

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕШЮФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ по авт.св. № 1032382, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей осуществляют нагрев образцов линейным источником энергии, расположенным перпендикулярно к направлению движения.образца, после чего по соответствующим формулам рассчитывают искомые величины.