Способ определения теплофизических свойств материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к те снической физике и может быть использовано для определений теплофизических свойств материалов, например при геологических и минералогических исследованиях. Известен.способ определения теплопроводности твердых тел, заключающийся в том, что создают тепловой поток сначала на эталонном образце, а затем на исследуемом образце и по результатам измерений температурных перепадов на эталонном и исследуемом образцах определяют теплопроводность исследуемого.образца Cl3 Недостатком данного способа является необходимость измерений на двух противоположны: поверхностях образца и отсутствие в -зможности регистрировать распределение тепловых свойств по образцу при его неоднородности. Известен способ определения теплофизических свойств твердых тел, заключающийся в том, что осуществляют нагрев эталона и исследуемых образцов 25 точечным источником энергии, перемещаемым вдоль эталона и образцов с по стоянной скоростью, регистрируют датчиком температуры избыточные предельные температуры поверхности эталона и образцов по линии нагрева с фиксиро ванным отставанием от источника энер гии и определяют теплопроводность образцов по зарегистрированным избыточным предельным температурам . Однако ввиду отсутствия картины распределения тепловых свойств по образцу при исследованиях неоднородных образцов не удается сразу выявить интересующие области образца и исследовать их теплофизические свойства, а приходится подвергать построчному исследованию весь образец, и, кроме того, ввиду использования нагрева только одним типом источника нельзя определить температуропроводность интересующих областей неоднородного образца. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем измерения температуропроводности и области применения способа путем дифференциации областей с различными теплофизическими свойствами в неоднородных материалах одновременно по всейисследуемойповерхности образцов. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических свойств материалов, включающему наггсв эталона и исследуй емых образцов точечным источником энергии, перемещаемым вдоль эталона и образцов с постоянной скоростью, регистрацию датчиком температуры избыточных предельных температур поверхности эталона и образцов по линии нагрева с фиксированньм отставанием от источника энергии и опреде- . ление теплопроводности образцов по зарегистрированным предельным температурам, перед HarpeiaoM эталона и исследуемых образцов подвиж11ым точечным источником .энергии нагревают эталон и исследуемые образцы равномерно распределенным источником энергии в течение определенного заданного заранее времени, регистрируют температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности эталона и исследуемых образцов, что осуществляют преимущественно при ПОМОЩР: быстродействующего тепловизора или пленжидких кристаллов, по температурному распределению-вьщеляют интересующие области образцов, измеряют интервалы времени после включения равномерно распределенного источника, когда избыточная температура поверхности эталона и выделенных областей исследуемых образцов достигает заданного заранее одинакового для эталона и исследуемых образцов значения, и после определения теплопроводности выделенных областей,проведенного с помощью ПОДВИЖНОГО-точечного источника, по результата измерений определяют температуропроводность выделенных областей. Сущность предложенного способа заключается в следующзм. Нагревают поверхность эталона и исследуемых образцов равномерно распределенным источником энергии, который, например, может быть выполнен на основе серии (5-10 штук) электроламп типа КГМ-1000-220с использованием йлоского отражателя, в течение определенного, заданного заранее. : времени. В процессе нагрева или после его окончаршя регистрируют температурное распределение по нагретой поверхности эталона и исследуемых образцов. Такая регистрация может мбыть осуществлена, например, при помо:ди быстродействующего тепловизора (например-, тепловизоров AGA-650, AGA-680, АСА-750, AGA-780). Б таком.случае на экране тепловизора нагретая поверхность исследуемого неоднородного образца будет иметь неодинаковую светимость: отдельные о.бласти. неоднородного образца, отличающиеся своими тепловыми свойствами нагреваются сильнее или слабее соседних областей и выделяются на экра не тепловизора в виде более светлых или более темных областей. По тепловому изображению неоднородного образ ца на экране тепловизора можно выделить интересующие области для дальнейших исследований. Быстродействие тепловизора должно быть таким, чтобы время формирования кадра было меньше, чем погреганрсть измерения временных i-штервалов от начала нагрева до момента регистрации температурного распределения по поверхности образцов. Так, при измерении временных инте валов с погрешностью +0, с время формирования кадра должно составлять менее , с. Таким быстродействием, например, обладают перечисленные модели тепловизоров, времЯ; формирования, кадра у которых составляет (1/25 1/16) ев зависимости от модели. Раз решавэщая способность тепловизора по температуре должна быть не хуже 0,20,3 К, чтобы исключать необходимость сильного разогрева исследуемых об разцов и эталона, приводящего к возрастанию погрешности измерений вслед ствие температурной зависимости теплофизических свойств ма териалов и ограничению применШ5ости способа при исследованиях влагонасыщенных и мерз лых горных пород и строительных мате риалов. Разрешающая способность тепловизоров перечисленных моделей, например, составляет 0,1-0,2 К. Регистрировать температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности эталона и исследу емых образцов можно также при исполь зовании пленки жидких кристаллов, наносимой на нагреваемую поверхность исследуемых образцов. Известно, что при нагревц полубес конёчного тела равномерно рйспределенным источником избыточная температура нагреваемой поверхности определяется следующими соотношениями; в процессе нагрева и , 1 2 .Л . или после выключения источника, действовавшего в течение времени Т 1/2 Q JaJ28qa r ,,2,/2j (2) Д : где 9 - избыточная температура нагреваемой поверхности тела; q - плотность потока энергии через нагреваемую поверхность; Я - теплопроводность тела; d - температуропроводность тела; t - время от начала нагрева до момента регистрации т мпературы;Т - время действия источника. Таким образом, тепловое изображение исследуемого неоднородного образца в любой момент времени в процессе нагрева или после включения источника характеризует распределение обобщенного параметра .А по образцу. Наблюдая температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности исследуемых образцов (на экране тепловизора или по цветовому изображению пленки жидких кристаллов) вьщеляют по нему те области образцов, которые Представляют интерес для дальнейших исследозан1-Й1. Далее измеряют время после включения равномерно распределенного источника, когда избыточная температура поверхности эталона и вьзделенных областей исследуемых образцов достигает. заданного заранее, одинакового для эталона и исследуемых образцов значег: ния. Для этого, например, в случае применения тепловизора можно использовать светящуюся на экране тепловизора изотерму ( регистрацию одной или нескольких изотерм обеспечивают многие, в .том числе и перечиСленг е, мо дели тепловизоров ). Втаком случае в начале измерений, перед нагревом, при наличии у тепловизора одной изотермы фиксируют для эталона и каждого исследуемого образца положение изотермы, соответствующее начальной температуре эталона и исследуейых образцов, а затем устанавливают изотерму в положение, соответствующее повышенному значению температуры, которое будут иметь эталон и образцы после включения источника, При наличии у тепловизора двух изотерм (как, например, у тепловизора модели AGA-680) заранее устанавливают эти изотермы так, чтобы одна изотерма соответствовала начальной температуре эталона и исследуемых образцов, а вторая изотерма„повьшенному значению температуры, которую будут иметь эталон и исследуемые образць в процессе нагрева. При этом взаимное положение изотерм сохраняют постоянным в течение всего процесса измерений, В процессе нагре ва или после выключения источника фиксируют моменты времени, когда более высокотемпературная изотерма будет соответстповать поверхности эталона и выде -хенных областей поверхности образцов. По реззльтатам измереНИИ для эталона и каждой вьщеленной области получают из {2) значение . обобщенного п;1;аметра для каж,цои выделенной области соответ.ственно теплопроводность и температуропроводность выделенной области образца Т°ЭТ соответственно теплопроводность и температуропроводность эталона;время от начала действия источника до-момен та совпадения установленной изотермы с изоб ражением эталона; t - время от начала действия источника до момен та, совпадения установленной изотермы с выде ленной областью; Т гр- время действия равноме но распределенного источника при нагреве исследуемого образца; - время действия равноме но распределенного источника при нагреве эталона. При измерениях в процассе нагрева для каждой Бьщеленной области опреде ляют обобщенный параметр соглас но соотношению (1)

JL т :„

(4)

1 S.

Vl

о а

эт V ,t Такие же опер-дции могут быть реализованы при помощи шенки жидких кристаллов, наносшюй на нагреваемые поверхности эталона и исследуемых образцов. Далее осу1 1;ествляют для каждого из образцов измерение теплопроводности материала выделенных областей, Для этого перемещают точечный источник тепловой энергии (например, лучлазера ИЛГН-704) с постоянной скоростью по поверхности последовательно расположенных эталона, и исследуемых образцов. Линии нагрева должны проходить через вьщеленные области на исследуемых образцах. Измерителем температуры (построенным, например, на -пироэлектрическом приемнике электромагнитного излучения нагреваемых поверхностей ) регистрируют избыточные предельные, температуры нагреваемг тх поверхностей так, чтобы точка регистрации температуры двигалась по линии нагрева вслед за точечным источником со скоростью, ранной скорости точечного источника, с фиксированным отставанием от точечного источника. По зарегистрированным избыточным предельным температурам эталона и вьщеленных областей исследуемых образцов определяют теплопроводность вьщеленных областей где б 5 - избыточная предельная тем пература эталона; 9 - избыточная предельная температура выделенной области исследуемого образца. После определения теплопроводности выделенных областей исследуемых образцов, проведенных с помощью точечного источника, определяют температуропроводность выделенных областей по соотношению, следующему из (З) при измерениях, выполненных после выключения равномерно распределенно го источника, или по соотношению, следующему из (4) при измерениях, выполненных в процес се нагрева эталона и исследуемых образцов равномерно распределенным источником. Пример. Требуется выделить области теп : п зических неоднородпостей и определить теплопроводность и температуропроводность этих обласV тей на образце горной породы, включа кщем сланец,вкрапленные пирит и халькопирит, В качестве эталона выбирают образец белого мрамора с 7( - 2,75 Вт/м.К и (ij 1 ,21 . В качестве равномерно распределен ного источника используют источник, построенный на восьми лампах типа КГМ-1000-220 с неравномерным шагом между ламлами для достижения равноме ного теплового потока в области нагрева.. Для регистрации температурного распределения нагреваемой поверхности эталона и исследуемого образца используют тепловизор мoдeJШ AGA680 , имеющий две рег -лируемые изо,терны на своем зкраиё. Устанавливают две изотермы (низкотемпературную и высокотемпературную) так, чтобы разность температур, соответствующих этим изотермам, составляла -5-7 К. В поле зрения тепловизора помещают эталон и настраивают тепловизор так, что%3ы низкотемпературная изотерма заполняла на экране поверхность эталона, т.е. соответствовала начальной температуре эталона. Послеэтого на чинают нагрев поверхности эталона, изображение которой наблюдали.на экране тепловизора, равномерно распре- деленньйм источником в течение 3,0 с. После выключения источника.наблюдают изображение нагретой поверхности эталона на экране тепловизора и фиксируют момент времени t после начала нагрева, когда высокотемпературная изотерма заполняет изображение нагретой поверхности эталона. Измерения показывают, что этот момент времени соответствует t, 12,1 с после включения равномерно распределенного источника. После этого в поле зрения тепловизора помещают исследуемый образец горной породы, имеющий плоскую поверх ность, так, чтобы плоская поверхносгь была обращена к приемной камере тепловизора. Настраивают тепловизор так чтобы низкотемпературная изотерма заполняла на экране поверхность исследуемого образца, т.е. соответствова- ла начальной температуре исследуемого образца горной породы. Разность температур между низкотемпературной и высокотемпературной изотермами остается неизменной, такой же, 1;ак и при нагреве и наблюдении эталона. Затем начинают нагрев поверхности исследуемого образца, изображение которой наблюдали на экране тепловизора, равномерно распределенным источником 6,5 с. Большая, чем при нагреве эталона, длительность действия равномерно распределенного источника связана с тем, что исследуемый образец может содержать такие отличные от материала эталона минералы, как пирит и халькопирит, нагрев которых до заДанной избыточной температуры требует ; большего, чем нагрев эталона, времени. После выключения равномерно распределенного источника наблюдают на экране тепловизора температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности исследуемого образца, выделяют по этому изображению области, которые представляют интерес для дальнейших исследований. Затем фиксируют моменты времени t после начала нагрева чисследуемого образца, когда высокотемпературная изотерма совпадает с упомянутыми областями (t., 8,8 с, tj 14,5 с, tj 22,5 с, t 52,1 с). Далее помещают исследуемый образец на подвижную платформу вместе с эталоном, перемещают их так, чтобы подвижный точечный источник тепловой . энергии (луч лазера типа иЛГН-704) перемещался последовательно по исследуемому образцу и эталону с постоянной скоростью (5-10 м/с), и регистрируют избыточнзта) предельную темпера У нагреваемой поверхности исслеДУемого образца и эталона по линии нагрева с фиксированным отставанием U,5-10- м/с).- от точечного источника. Регистрацию избыточной предельной температуры осуществляют по элект ромагнитному излучению поверхности измерителем температуры, построеином на пироэлектрическом приемнике с использованием фокусирующей линзы,и: измеряют избыточные предельные температуры. Они составляют бу 1,30 К, . бг 2,2 К, Щ- 3,2 К, Qg-, 6,3 К. По 9 соотношению (5) определяют теплопро водность вьщелённых областей / 13,3 Вт/м.К. ; 7,88 Вт/м.К, Л 5,41 Вт/м.К,Второй раз измеряют избыточные предельные температуры для эталона и для последней из выделенных облас тей: 9| 6,8 К, &U 6,3 К, По соотношению (5) определяют теплопроводность последней выделенной области 1 2,5 Вт/м.К.

Затем по результатам измерений соотношению (6) определяют температуропроводность всех выделенных областей

а 2,90-10 .

10

10

а. 2,21 10

Ш

Oj 1,80

м7с;

Ш

0 1,02 с. Последукщее изготовление шлифа исследуемого образца показывает.

Предлагаемый способ определения теплофизических свойств материалов успешно опробован в лабораторных ус- ловиях..

Предлагаемый способ может быть использован, например, для определения теплофизических свойств горных пород и руд с выделением рудных прожилков и других минеральных включений. 210 что в первой выделенной области содержится массивный пирит, во второй вкрапленный пирит, г третьей выделенной области - халькопирит, в четвертой области - сланец. Предлагаеьгый способ позволяет вы-. делять области неоднородности материала сразу по всей исследуемой поверхности образцов и дает возможность определить совместно теплопроводность и температуропроводность выделенных областей.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕШЮФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев эталона и исследуемых образцов точечным источником энергии, перемещаемым вдоль эталона и образцов с постоянной скоростью, регистрацию датчиком температуры избыточных предельных температур поверхности эталона и образцов по ЛИНИИ нагрева с фиксированным отставанием от источника энергии и определение теплопроводности образцов по зарегистрированным избыточным предельным температурам, о тлича.ющийся тем, что,, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения температуропроводности и области применения способа путем дифференциации областей с различными теплофизическими свойствами в неоднородных материалах одновременно по всей исследуемой поверхности образцов, перед нагревом эталона и исследуемых образцов подвижным точечным источником энергии нагревают эталон и исследуемые образцы равномерно распределенным источником энергии в течение определенного заданного заранее времени, регистрируют температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности эталона И исследуемых образцов, что осуществляют преимущественно при помощи быстродействующего .тепловизора или пленки жидких кристаллов, по темпер51турному g распределению выделяют интересующие (/} области образцов, измеряют, интервалы времени после включения равномерно-распределенного источника, когда из-, быточная температура поверхности эта- лона и вьщеленных областей исследу- емых образцов достиг.ает заданного заранее одинакового для эталона и исследуемых образцов значения, и после определения теплопроводности выделен ных областей, проведенного с помощью подвижного точечного источника по результатам измерений определяют температуропроводность выделенных облаIto стей.