Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов Советский патент 1986 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к исследованию физических свойств веществ, а именно к измерению термосопротивления и теплоемкости материалов, из которых изготовлено исследуемое тело, и может быть использовано в тер лофизическом приборостроении. Цель изобретения - повышение точности определения теплофизических свойств материала и сокращение времени измерения. На фиг.1 приведен график изменения теплового потока Н, поступающего из зонда в исследуемое тело; на фиг.2 - структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Тепловой импульс, входящий в материал (фиг.1), характеризуется максимальной величиной импульса Н, ско ростью нарастания переднего фронта темпом изменения Н теплового потока в момент достижения им половинног значения от максимального, максималь ньм темпом уменьшения Н и характерными опорными точками на осях коорди нат графика: Н - поток короткого за мыкания датчика; -„- постоянная датчика; Т - время в момент достиже ния максимальной величины Н,, Ну установившийся тепловой поток. Устройство (фиг.2) для осуществления способа комплексного определе ния теплофизических свойств материа лов состоит из зонда 1 в виде цилиндрического металлического стакана с круглой плоской контактной поверхностью, на которой укреплен теп ломер 2, прижатый к поверхности исследуемого тела 3 Внутри зонда вмо тированы резистивньй нагреватель 4 и термопара 5 начальной температуры зонда. Термопара подключена к блоку 6 задания начальных значений режимов , соединенному с ус.илителем 7 мощности источника питания резистив ного нагревателя. Второй вход усилителя 7 мощности подсоединен к вых ду решающего блока, а именно к инте фейсу 8 микропроцессора 9. К тепломеру 2, подключены входы дифференциатора 10 и компаратора 11, выход которых соединены с интерфейсом 8. Выходы интерфейса подключены к усилителю 7 мощности и регистрирующему прибору 12. В комплект решающего блока входит также постоянное запоминающее устройство 13. 611 Способ осуществляется следующим образом. К плоскому участку исследуемого v тела прижимают контактной поверхностью зонд, предварительно нагретый на 10-20 К вьппе начальной температуры материала, измеряют через равные промежутки времени Т мгновенные значения неустановившегося теплового потока Н, определяют текущее отклонение е (пТ) от установившегося значеия по формуле e(nT)H-Hg + 0,36Кк- - Н.Т g (1) По формулам интегрально-дифференциального закона регулирования рассчитывают управляющий сигнал у(пТ) .у(пТ) х(пТ)+ е(пТ), где х(пТ) е х((п-1) Т) + -ь 5l5-Ci eST) е((п-1) Т) Z и S - параметры фильтра интегрально-дифференциальногозакона регулирования с передаточной функцией (P+Z)/(P+S), с-1 Р - переменная преобразования Лапласа, c Управляющий сигнал у(пТ) подают при очередном измерении на вход усилителя мощности резистивного нагревателя зонда. Вычисляют темп измерения во времени Н, мгновенную величину которого Н фиксируют для момента времени, когда Н равно (половина максимальной величины теплового импульса). Затем фиксируют максимальные тепловой по «. и темп уменьшения Н . и темп уменьшения Н, теплового потока. По формулам R 0,2 (H,lg); R, .H,(,56R, -ь + ,г -i Rq- RK; c, c,/ |;i-0,43( , где R - контактное термосопротивление, К/Вт; термосопротивление материала, к/Вт; теплоемкость материала, Дж/К; тепловой поток зонда в режиме короткого замыкания по тепловому потоку при заданном превышении температуры зонда относительно температуры материала, Вт; временная постоянная зонда, с; термосопротивление зонда, К/Вт; максимальное значение импульса теплового потока,В темп изменения теплового потока во времени, когда тепловой поток равен 0,5 Н Вт/с; максимальньй темп уменьшения теплового потока Вт/с рассчитывают термосопротивление R и теплоемкость Со Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. Включают устройство и блоком 6 начальных установок устанавливают на зонде 1 превьгаение температуры©, равное 10-20 К.Затем зонд прижимают к поверхности исследуемого тела 3. При этом начинает расти тепловой поток, поступающий в исследуемое тело, мгновенные значения его обраба тываются в дифференциаторе 10 и компараторе 11, например, аналоговых, поступают через интерфейс 8 и микр процессор 9, который согласно алгоритму программы, заложенной в постоЯННОМ запоминающем устройстве 13,рас считывает по темпу изменения Н для каждого момента чТ контактное термо сопротивление К и поправку у(пТ) для петли автоматического управления подаваемую на управляющий вход усили теля 7 мощности резистивного нагрева теля 4, В момент, когда величина теп лового потока Н достигает половинного значения от максимального запоминающее устройство фиксирует рассчитанное RK . По достижении по кривой nepexo;j-; ного процесса максимального темпа снижения Hj, теплового потока соглас но команде условного перехода операнд Н, записываются в регистр общего назначения микропроцессора 9 и рассчитываются термосопротивление и теплоемкость С исследуемого тела, результаты расчета подаются на регистрирующий прибор 12, например, на цифровой индикатор. Для работы устройства необходимо ввести в постоянное запоминающее устройство 13 параметры зонда Но (pRoCo-n)0 P(P f }CcKo K-t- Р(СоЯо(Кч + Рк 614 (тепловой поток короткого замыкания зонда определяется экспер1шентально или теоретическим рассчетом), R (термосопротивление зонда), fn тоянная времени зонда), а также параметры нтeгpaльнo-диффepeнциaльного фильтра (P+Z)/(P+S),а именно Z - постоянная переходного процесса зонда в отсутствии петли автоматического управления, определяется по форме характеристики процесса, опи-. сываемого операторным уравнением н(р) u),(p+z)7, где Р - переменная преобразования Лапласа; Н(р)- изображение переходного теплового процесса зонда в режиме короткого замыкания по тепловому потоку; - постоянные переходные процесса, с-ч . Выбор параметров OQ и Z фильтра в условиях переменных свойств ксследуеых материалов может быть произеден приближенно. Вполне достаточо принять со„ 1Г/т Z (1 /Т )-Т/Т 5 (OZ ° 9 /ч ч ;где Tj - время установления максимального значения Н зонда при коротком замыкании теплового потока (фиг . 1) . За ориентировочное расчетное зна чение TI можно принять момент достижения максимума Н, при приведении зонда в контакт с исследуемым телом. В основу способа положен экспериментально установленный факт, что кривая на фиг.1 с точностью не ниже 1 % (что достаточно для решения большинства теплофизических задач) может быть описана уравнением, содержащим например, две константы, характеризующие зонд, и три параметра исследуемого тела, а именно, его контактное термосопротивление R и эффективные стационарные термосопротивления RO и теплоемкость CQ. RO и Со являются параметрами исследуемого полуограниченного тела для данных контактной поверхности зонда и закончившегося переходного теплового процесса. Например, в операторной форме переходной процесс изображается формулой ()) К„) где ( - скачок температуры -по отношению к начальной температуре исследуемого тела в месте контакта с зондом (10-20 К). В способе выбирают критические точки переходного процесса: крутизну фронта импульса теплового потока, его максимальное значение и темп уменьшения величины, и не ожидая окончания переходного процесса, опре деляют теплофизические параметры исследуемого тела по известнымхарактеристикам зонда. В общем случав точность измер.ений будет тем выше, чем ближе постоянная теплоемкость зонда с к теплоемкости Со, измеренной устройством. Область исследуемого материала, участвующая в тепловом переходном процессе выравнивания скачка температуры зонда-, определяется объемом сферы с радиусом контактной поверх. ности зонда. Материалы в виде пласти ны толщиной меньше радиуса конт ктной поверхности зонда требуют внесеНИН в результат поправки на влияние толщины материала. Это необходимо учитывать при рассчете удельной теплоемкости с, теплопроводности по RoH Со материала. Удельные харак теристики можно рассчитать,например по уравнениям - (i4PaRoCo+ O- KPi-RoCo- Oxb., с 3 R,(4Wr) где г - радиус контактной поверхности, м; У- плотность материала, кг/м . . корни знаменателя уравнения (.6) переходного процесса в операторной форме. В конструкцию зонда могут быть введены медно-константановая термопара 5 и тепломер 2 на основе батарейного термоэлектрического дагчика Резистивный нагреватель 4 изготавли вают, например, из нихромовой прово локи в виде спирали Архимеда размером равным диаметру таблетки батарейного термоэлектрического датчика (12-20 мм), В качестве усилителя мощности можно применять тиристорны выпрямитель, управляемый по фазовому углу отпирания переменного тока, Пример. Для измерения тепло физических свойств мраморной пласти ны необходим комплект приборов,.содержащий зонд 1, источник питания Б-27 и два милливольтметра на IО и 50 мВ. Зонд I вьптолнен в виде алюминиевого стакана диаметром 18 и высотой 36 мм, в котором размещены резистивный нагреватель А из нихромовой проволоки с сопротивлением 28 Ом с закрепленным в его центре горячим спаем медно-константановой термопары и тепломер 2 (батарейньш термоэлектрический датчик с постоянной преобразования 10 Вт/В). Первый милливольтметр проградуирован в единицах температуры (К) нагревателя 4 и подключен к термопаре 5, второй в единицах мощности (Вт) нагревателя 4 и подклю ген к тепломеру 2. Чтобы- устранить влияние толщины мраморной пластины на результаты измерения, выбирают ее больше радиуса зонда, т.е. 10 мм. При такой толщине материала время установления динамического равновесия теплового потока больше минуты. Постоянная времени зонда tn (для обеспечения 1% точности) должна быть этого порядка, например 91 с, а промежутки между измерениями 10с. Для материалов с теплопроводностью мра мора мощность нагревателя в установившемся режиме и температуре на больше, чем начальная температура мрамора, составляет 2 Вт, Зонд, обеспечивающий мощность нагрева 2 Вт, имеет термосопротивление R,j 31,25 К/Вт и его тепловой поток короткого замыкания равен Но 5,6 Вт. Параметр S в уравнении (2) интегрально-дифференциального закона регулирования в соответствии с оценкой по формуле (5) быть взят равным 0,1 с. Поэтому уравнение (2) принимает вид у (10п) X (lOri) + е (10п), где х(10п) 0,37 х(10(п-1)) - 0,63 е(10(п-1)); п - порядковый номер измерения. По предлагаемому способу комплекслого определения теплофизических свойств,, материалов измеряют в очередной (каждые 10 с) момент времени величину теплового потока Н; опре деляют отклонение от установившейся величины теплового потока е(10п). По формуле (2) определяют управляющий сигнал у(ГОп) зная текущее е(0п) и предьщущие результаты рас7

чета x(IO(n-l)) и e(10(n-l)). По истечении 10с (непосредственно после измерения мощности тепловогр потока ) изменяют тепловой поток на величину у(10п), регулируя напряжение на источнике питания Б-27 и контролируя мощность зонда по тепломеру 2. Вычисляют темп измерения теплового потока Н как разность ближайших показаний тепломера. В момент когда темп уменьшения теплового пото ка максимален, измерения закончены. Определяют максимальное значение Н, темп изменения при и максимальный темп уменьшения и рассчитывают контактное термосопротивление Кц,термосопротивление Ко и теплоемкость Со по формулам (3).

При Нт 2,8 Вт; Н; 0,077 Вт/с, Hj 0,009 Вт/с получают R 5- К/Вт, RO 52,1 К/Вт, с 4,66 Дж/К.

Чтобы определить удельные тепло проводность и теплоемкость, рассчитывают корни знаменателя уравнения 6), которые в примере равны

70661

Р 0,031; Р - 0,026.

Затем по уравнениям С7) рассчитывают теплопроводность А 3,62 Вт/ /(м.к.) и теплоемкость с 894 Дж/ 5 /КГК (в расчетах принято 2 г 18 мм; 2900 кг/м) .

В способе комплексного определения теплофизических свойств материалов и устройства его осуществления

10 время измерения сокращено как за

счет устранения измерений стационарного потока закончившегося переходного процесса, так и за счет введения отрицательной обратной связи по

15 цепи тепломер - нагреватель, что уменьшает время переходного процесса в 2 раза для случая минимальной погрелшости зонда, когда постоянная зонда ,J, равна R,CO .Корректировка

20 результатов расчета, учитьтающая контактное термосопротивление Я , позволяет применять предлагаемое ретение для измерения теплофизических свойств тел с проводимостью ма5 териала до 500 , с относительной погрешностью не больше 5%.

СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕШЮФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в том, что измерительный зонд нагревают выше начальной температуры исследуемого , тела, размеры которого превышают глубину проникновения температурного поля за время измерения, прижимают контактной поверхностью к плоской поверхности исследуемого тела и измеряют в определенные моменты времени мгновенные значения неустановившегося теплового потока, поступающего в тело из измерительного зонда, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических свойств и сокращения времени измерения, после помещения измерительного зонда на тело нагревают измерительный зонд по интегрально-дифференциальному закону регулирования в зависимости от изменения теплового потока во времени, W .фиксируют скорость изменения теплос вого потока во времени в момент достижения им половинного значения теплового потока от максимального, фиксируют максимальный тепловой поток и. максимальную скорость ю уменьшения теплового потока во времени и по полученным даиньм судят о контактном термосопротивлении, термосопротивлении и теплоемкости материала.