Способ определения коэффициента температуропроводности частично прозрачных материалов Советский патент 1986 года по МПК G01N25/18 

i

Изобретение относится к тепло- физическим измерениям частично проэ- рачных материалов, например стекло- образующих и кристаллизующихся расплавов, в частности к способу определения коэффициента температуропроводности частично прозрачных материалов, и может быть использовано в лазерной и космической технике, в различных устройствах преобразования энергии, в химической технологии при выращивании монокристаллов в стекольной промьшшенности и т.д.

Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента температуропроводности частично прозрачных для теплового излучения материалов.

Предлагаемый способ по сравнению с известным обладает тем преимуществом, что исключает необходимость измерения температурного перепада между непрозрачной границей и центром частично прозрачного материала, т.е. исключает систематическую погрешность измерения температуры внутри частично, прозрачного материала, позволяя определить коэффициент температуропроводности по результатам измерения температуры лишь двух его непрозрачных границ, когда датчики температуры располагаются внутри непрозрачных граничных пластин, чем достигается повышенная по сравнению с известным точность определения температурного перепада на слое исследуемого материала, и следовательно, точность определения искомой величины.

На фиг. 1 показана схема рабочего участка установки для определения коэффициента температуропроводности предлагаемым способом; на фиг. 2 - график зависимости перепада температуры на толщине образца в зависимости от времени, показывающей закономерность установления регулярного режима второго рода радиационно кон- дуктивного переноса энергии (РКПЭ) в частично прозрачном образце в рас- матриваемых условиях.

На фиг. 1 обозначены образец 1 исследуемого материала (расплав в контейнере), корпус нагревателя 2; адиабатньй нагреватель 3, адиабатная оболочка 4, термопары 5 и 6, размещенные в дне контейнера с расплавом

231081

термопары 7 и 8, размещенные в крышке контейнера с расплавом в адиабатной оболочке, нагреватель 9 , задающий линейный во времени нагрев од- 5 ной поверхности образца .

Приме р. Определяют коэффициент температуропроводности расплава оптического стекла марки ТФ-5. Образец диаметром 78 мм и толщиной

О 5,6 мм предварительно наплавляется в платиновом контейнере, имеющем дно в виде диска диаметром 77,9 и толщиной 1,9 мм, к образующей которого приварена цилиндрическая стенка из

15 платиновой фольги толщиной 0,05 и высотой 8,6 мм. В дне контейнера имеются три радиальные отверстия диаметром 1,2.мм, предназначенные для размещения двух измерительных и одной

20 регулировочной платинородий - платино- родиевых ПП 30/6 термопар. Дно контейнера является горячей границей образца. Верхняя (холодная) граница образца образуется приводимой с ним

25 в тепловой контакт платиновой крыщкой контейнера диаметром 76 и толщиной 0,5 мм, по образующей которой приварена цилиндрическая платиновая стенка толщиной 0,05 и высотой 1,8 мм.

30 Толщина образца определяется погруженными в расплав тремя алундовыми опорами, выполненными в виде трубок с осевыми прорезями внутренним диаметром 4, толщиной стенки 0,2 и высо3 той 5,6 мм, оси которых расположены перпендикулярно плоскости дна контейнера, на удалении от оси контейнера с. радиусом 30 мм. К крьшке контейнера со стороны, противоположной от образца,

40 приварены контактной сваркой королек измерительной термопары и королек дифференциальной термопары. Второй спай этой дифференциальной термопары приварен к поверхности плоской части

45 адиабатической оболочки, обращенной к образцуi представляющей собой платиновый диск диаметром 86 и толщиной 0,5 мм, к образующей которого приварена цилиндрическая боковая стенка

5Q из платиновой жести высотой 15 и толщиной 0,2 мм. Нагрев адиабатной оболочки выполняется адиабатным нагревателем, установленным над адиабатной оболочкой на трех алундовых опоJJ pax. Образец в платиновом контейнере помещается в водоохлаждаемую тепловую камеру с обеспечением непосредственного теплового контакта с нагревателем, создающим линейный во времени нагрев горячей границы образца, над образцом на расстоянии 3,5 мм устанавливается адиабатическая оболочка, а над ней на расстоянии 2-3 мм адиабатизирующий холодную границу образца нагреватель.

Опыт проводят следующим образом. Нагревают систему до температуры стеклования стекла ТФ-5 (которая для этого стекла равна 715 К) в режиме установления стадии регулярного режима второго рода РКТ, достижение которой с погрешностью не более 2% определяют равенством нулю временной производной перепада температуры на полной толщине образца. Для этой цели, начиная с температуры стеклования стекла ТФ-5 (Т 715 К),через равные интервалы времени измеряются значения температуры горячей и холодной границ образца, когда на первой границе выполняется условие постоянства во времени скорости нагрева, а на второй условие адиабатизации. Из приведенной временной зависимости перепада температуры на полной толщине образца V(H,T), полученной экспериментально, видно, что через 10 мин после включения систем автоматики заканчивается иррегулярная стадия процесса РКПЭ.

Автоматика включается после того как образец с большой скоростью (больше 0,13 К/с) нагревается до 506 К. По окончании иррегулярной стадии на интервале 584-705 К в течение 15 мин устанавливается с незначительным отклонением регулярная стадия второго рода РКПЭ, которая прерыва- ется на 6 мин вследствие резкого из- мен ения теплофизических свойств в интервале стеклования и затем продолжается в интервале 750-1573 К. Эти экспериментальные данные доказывают, что в интервале 750-1573 К устанавливается регулярный режим РКПЭ второго рода, в котором V(H,) уменьшается всего на 2,4%. В процессе эксперимента измеряют скорость нагрева b( f) , температуры горячей (-H, t) и холодной Т(Н, ) температур образца, толщина которого равна 2Н. Затем, учитьтая оптические свойства исследуемого материала и ограничивающих его поверхностей для полученных, экспериментальных данных, численно реша ется обратная задача РКПЭ.

Обратная задача теплопроводности может быть сформулирована следующим образом.

Рассмотрим плоский слой нерассеивающего частично прозрачного материала толщиной 2 Н, заполняющего пространство между двумя оптически гладкими плрскопаралельными непрозрачными пластинами, имеющими идеальный тето- вой контакт с расплавом.

Нагреватель, расположенный на границе X -Н, увеличивает температуру этой границы по линейному закону Т(-Н, г)Т(-Н, 0)+Ь(г), с постоянной скоростью (Ь const) вследствие воздействия выделяемого им теплового потока в направлении оси X, начало которой находится в центре слоя. Граница X Н адиабатизируется с помощью потока тепла, направленного от адиабатной оболочки противоположно оси X и равного по величине потоку, приходящему на эту границу через слой. Предполагается, что известными являютсч. температуры границ Х -Н, Т и X Н, Tj, скорость нагрева границы X -Н, Ь. Перепад температуры на слое в каждый момент времени значительно меньше абсолютной температуры отнесения T , т.е. что (, )« Т, . Это позволяет отнести оптические и теплофизические свойства слоя среды к одной температуре. Температурный перепад в граничных непрозрачных пластинах предполагается настолько незначительным по сравнению с перепадом на слое исследуемой среды, что их собственная температура принимается в качестве температуры границ слоя исследуемой среды.

Для получения расчетного соотношения удобно использовать уравнение энергии в следующем виде, записанное для переменной

V(X. ;) T(X,C )-Т(-Н, С);

00

П avix.ti п I r,t .--1 1 lir aT (ua|uj:jj

an.t) , ,;

bU),

V.OU.-O

(1)

b(tr) - скорость нагрева границы

X - -Н 5

а - коэффициент температуропроводности.

512231086

Граничные условия дляуравнения j

энергии (1) имеют видр 1,-| ,,exp.blH.xl .

VC-H,-) 0;(2) .т

5 xpl-bi H- iiji

V (Н,-2-) йТ;. (3) г

iyLH.U 0.U)

. ,(Ц, нахояздения 1 должно бытьf i (

для нахояздения JL должно оытьf j ( Г

использовано уравнение переноса излу- J l Krivj У( Я чения в слоеf o

азГ г и. т (5) 15 Pf b pl:WM

(.(;), (x.py;li.%3e.,T,(,,j R«{«a,rne.ph.(,,(R,M)expx

с граничными условиями B(5H-x -R,R,, )t

(-ntVF hltfi ,n (

J:, U+))) e,(i)(Jl 20 JJJ

())

p

Уравнение РКПЭ в рассматриваемой системе имеет следующий вид:

25

О, xiftH -H-f,

00 .. Н

О, xiftH -H-f,

V.(2H,-x b|L|i,. P(x,f), х.н (х.о),

(о.,,()-з,,,и,о,,1)- 30 .о-рИьн), y,.KWp.

р-|со5 «|х.х Н,

-JB,,(,(,j3g(x),(-H)-а- коэффициент температуропроводности;

(.(,М1з,Лн .. 3,,- интенсивность равновес- i,v J B.V L AT /,v . j B.v j 2jjjQj, излучения в ваку1 9 f (уме;

V. ) PU.,К показатель преломления,

-к. коэффициент поглощения

Р ш г г I ,среды соответственно;

ГАС .j / oexpHn - 4Q

коэффициент отражения,

.степень черноты соответ 1.1)),)е р -Ь12Н- - 1 ственно.

Индексы соответствуют нагревателю

+ ,(4Н4х-)ехрГ-Х,(4Н-х. (холодильнику) 1(2) и спектральной Г1ч jJJ зависимости v .

О, xiftH -H-f,

, х.н

/ 2

Фиг. г

140 г; гли

Составитель В. Битюков Редактор Н. Бобкова Техред В.Кадар Корректор М. Демчик

Заказ 1705/46

Тираж 778

ВНИИПИ Государственного/комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Подписное