Способ определения теплофизических характеристик материалов /его варианты/ Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

после чего теплофизические характеристики материала определяют по фо рмулам( - «„r-i- -1 -.. 817 (f, 1133525 R - термическое сопротив-, ление датчика теплового потока, 3 - площадь образца.

1. Способ определения теплофизических характеристик материалов, по которому на поверхность исследуемого и эталонного образцов, находяпщхся в тепловом контакте, воздействуют синусоидальными тепловыми потоками, регистрируют разность фаз и амплитуды тепловых потоков на поверхностях образцов, противолежавщх поверхностям, подвергаюпщмся воздействию тепловых потоков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения определения, синусоидальньА тепловой поток -подают в плоскость теплового контакта образцов, увеличивают его частоту до нулевой разности фаз между синусоидами тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образцы, после чего коэффициент температуропроводности и теплоемкость опре. деляют по формулам , шсЛ-,, а, . 1( « .Р згэ где к U) 2а f,.. j; толпщна соответственно исследуемого и эталонного образцов-, АЛ амплитуда соответственно синусоидальных тепловых, потоков через иследу емый и эталонный образцы , - коэффициенты ж емперату н ропроводности соответственно исследуемого и эталонного образцов с, теплоемкость соответ И ственно исследуемого и эталонного образцовj U) круговая частота; Яэ плотность соответственРм но исследуемого и эта лонного образцов. 00 00 . 2, Способ определения теплофизических характеристик матерчалов, по сд которому на поверхность исследуемого и эталонного образцов, находящихся INU. в тепловом контакте, роздейств тот сд синусоидальными тепловыми потоками, регистрируют разность фаз и амплитуды тепловых потоков на поBepxHocTjrx образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию тепловых потоков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения определения синусоидальный тепловой поток подают в плоскость теплового контакта двух исследуемых образцов различной толщяны tf и «, ,

Изобретение относится к области тепловых измерений, в частности к способам определения теплофизически характеристик материалов, и может быть использовано для определения коэффициента температуропроводности и теплоемкости любых, материалов (полимерных,, строительных материало жидкостей и др.) как в лабораторной так и в производственной практике. Известен способ определения тепл физических характеристик материалов при котором образец исследуемого и эталонного материала приводят в тепловой контакт по-плоскости, размещают в этой плоскости нагреватель,подводят к нагревателю постоянную мовщость и.регистрируют изменение температуры и время достижения максимума температуры D Однако .этот способ не обеспечивает высокой точности, так как необходимо измерять несколько парамет ров процесса, а именно температуру и время, что вносит дополнительные погрешности. Кроме того, в этом спо собе вносится дополнительная погрешность за счет инерционности нагревателя. Наиболее близким техническим решением к изобретению является спо соб определения температуропроводности и теплоемкости, заключающийся в воздействии синусоидальными тепло выми потоками на поверхность исследуемого образца, находящегося в тепловом контакте с эталоном, регистр ции сдвига фаз, амплитуды и .последу ющего определения теплофизических характеристик по известным ф.орму лам 2. Однако известный способ не обеспечивает требуемой точности, что обусловлено необходимостью измерять фазы тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образ цы. Для этого необходимо иметь два регистрирующих прибора. Кроме того, обязательно наличие эталонного образца, а его присутствие вносит погрешность, которая возникает в процессе градуировки. Способ реализован только для высоких температур (вьше 1200С), так как все расчетные формулы выведены из анализа лучистого теплообмена, который становится существенным только при высоких температурах. При понижении температуры измерение точности уменьшается. Целью изобретения является повышение точности и ускорение определения теплофизических характеристик. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических характеристик материалов, включаюпщй использование исследуемого и эталонного образцов, приведенных в тепловой контакт, состоящему в том, что па поверхность исследуемого и эталонного образцов воздействуют синусоидальными тепловыми потоками, регистрируют разность фаз и измеряют амплитуды тепловых потоков на поверхностях образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию тепловых потоков, синусоидальный тепловой поток подают в плоскость тецлового контакта образцов, увеличивают его частоту до нулевой разности фаз между синусоидами тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образцы, после чего коэффициент температуропроводности и теплоемкость определяют по формулам Д . , tof где толщина исследуемого и эталонного образцов; и э -амплитуды соответстве но синусоидальных тепловых потоков через исследуемьш и эталонный образцы; -коэффициент температу м э ропроводности соответ ственно исследуемого и эталонного образцов -теплоемкость соответ и э ственНр исследуемого и эталонного образцов U) - круговая частота, р о - плотность соответстве но исследуемого и эта лонного образцов. Согласно способу по второму варианту синусоидальный тепловой поток пбдают в плоскость теплового контакта двух исследуемых образцов различной толщины «/ и с, после чег теплофизические характеристики материала определяют по формулам , ( 2-« 1l Л2 - Ч . -Brt - термическое сопротивление датчика теплового потока , 5 - площадь образца. На фиг.1 схематически изображен пример реализации предлагаемого спо соба-j на фиг.2 - диаграмма тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образцы. На фиг.t обозначены верхний холо ; ильник 1,верхний датчик 2 теплового потока, исследуемый образец 3, нагреватель 4, эталонный образец 5, нижний датчик 6 теплового потока, нижний холодильник 7. На фиг.2 изображены синусоидальные тепловые потоки, проходящие через исследуемый 8 и эталонный. 9 образцы А и Aj - соответственно амплитуды тепловых потоков. Определение коэффициента температуропроводности и теплоемкости производится следующим образом. С помощью нагревателя (любого ти па) , приведенного в контакт с иссле дуемым и эталонным образцами, созда ют в них синусоидальные тепловые потоки. Увеличивая часто.ту нагрева, добиваются, чтобы (, после чего теплофизические характеристики определяют по формуле 2( 1 - круговая частота; сУ - толщина исследуемого образца2 Л - сдвиг фазы между тепловыми потоками-. сЛ 2м э характеристика эталона. «j,«j-.коэффициент температуропроводности соответственно исследуемого и эталонного образцов, 1 , - толщина соответственно исследуе ого и эталонного образцов.. Теплоемкость определяется по фор-. Уле г г t 1 - .. где А, AJ - соответственно амплитуды исследуемого и эталонного образцов. Способ по второму варианту состоит в том, что нагреву синусоидальыми тепловыми потоками подвергаются два исследуемых образца разной толщины c,,«Ai теплофизические характеристики определяются по формулам K-.fu) . c....-.. Mfw (.lA. 5 . Вя- термическое сопротивление датчика теплового потока S - площадь образца. Способ определения коэффициента емпературопроводности и теплоемости по второму варианту состоит следующем. Вместо эталона берется исследуеьш образец. Добиваются, чтобы . После чего образец предпочтиельно брать правильной формы; если сследуется жидкость, то ее помещат в кювету. Затем с помощью датчиов теплового потока измеряют сИну- , оидальные тепловые потоки, регулиуют сигналы датчиков. Увеличивая астоту нагрева, добиваются уменьения сдвига фаз до нуля, и зная олщину об азцов, вычисляют коэффи 1

циент температуропроводности по формуле (1), а теплоемкость по.формуле (2).

Расчетные формулы получены из следую1цих условий,

Температура нагревателя t. и тепловой поток в верхней ветви моста связаны между собой посредством передаточной функции 0, к . .

(П 1 21

133525,6

I где uiy - средняя температура

соответственно образца и эталона.

Величины Q„ и Q J можно получить, 5 интегрируя тепловой поток за период от О до J7

//

м А„ sinwrdr

И и

6 Т

Э jSinwr-cfr

Аналогично связаны температура нагревателя .и тепловой поток на выходе нижней ветви -1

iK. . (И

Поскольку температурные перепады па эталонных и исследуемых образцах одинаковы, (источник и приегжик тепла один и тот же), то - и, поделив выражение .(5) на (6), получим 2. X

(7)

К.

Передаточные функции образцов К и К для гармонического нагрева с точностью до 0,5% записываются в лзиде

expl |c 2 iJ

(М

1 2 2

, С-,0)

Приняв (9) и (11), (10) и (12) и поделив полученные равенства одно

на другое, получим (2). Вьитя полученные равенства и проведя неслож-ные преобразования, получим формулу (А) для определения теплоемкости. Проведенные измерения при нулевой

разности фаз между синусоидами теплового потока позволяют избежать погрешности изм.ерения величины сдвига фаз, При этом удешевляется экспериментальная установка. Использование

двух исследуемых образцов позволяет уменьшить погрешность измерения благодаря отсутствию погрешности эталона. Одновременно упрощаются расчетные формулы.

Пример расчета коэффициента теплопроводности оптических стекол К-8 толщиной cj.S мм, cf 2 мм. Круговая частота нагрева ,38, а период

.030...,

Ь38

По формуле (3) получаем а 6 j3 Ю , что соответствует табличным данным для стекла К-8 при температуре 273 К. При этом предельная относительная погрешность по предлагаемому способу (при доверительной вероятности 0,95) определения коэффициента температуропроводности и теплоемкости составляет

+2,5%, а по известному способу 4-10%, Т;е, погрешность уменьшается в 4 раза.

Предлагаемый способ значительно повышает точность и одновременно

У РоЩзет процесс определения коэффициента температуропроводности и теплоемкости.

tliltllllllllPff

J

xxx wvsrt vxxxxxx wvwyxj

llHIlin

Фиг.1