Способ определения теплофизических свойств материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для комплексных измерений теплофизи- ческих свойств (ТФС) материалов (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности) в широком диапазоне температур.

Целью изобретения является повышение точности определения ТФС материалов -и расширение функциональных возможностей устройства.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство состоит из источника 1 теплового потока, первый выход которого связан с первым входом модулятора 2 теплового потока, формирователя 3, первый выход которого соединен с вторым входом модулятора 2 теплового потока, вакуумной камеры 4 снабженной фоновым нагревателем, подключенным к блоку автоматического прбграммного управления температуры (не показан), в которой установлен исследуемый образец 5, передняя сторона которого через вход вакуумной камеры 4 связана (оптически) с выходом модулятора теплового потока 2, а задняя сторона - с датчиком 6 температуры, выход которого подключен к первому входу измерителя 7 фазы и амплитуды, второй вход которого связан с вторым выходом формирователя 3, первый выход - с первым входом регистратора 8, второй выход - с вхо дом оптимизатора 9, а третий вход - с выходом измерителя 10 мощности теплового потока, вход которого связан с вторым выходом источника 1 теплового потока, кроме того, оптимизатор 9 по первому выходу соединен с входом формирователя 3, а по второму - с вторым входом регистратора 8,

В устройстве в качестве источника 1 теплового потока использован ОКГ

непрерывного действия типа ЛТН-102. 1МГодулятор 2 теплового потока выполнен в виде дискового обтюратора, по саженного на вал шагового двигателя, скорость вращения которогЙ задает частоту модуляции теплового потока. Формирователь 3 содержит генератор

.кварцованной частоты, программируемый цифровым кодом таймер (например, микросхема КР580ВИ53), распределител импульсов и усилители импульсов, соединенные последовательно в порядк перечисления и обеспечивающие по

10

/5

20

25

30

35

40

45

50

55

первому выходу работу шагового двигателя в соответствии с требованиями к нему. Кроме того, в состав формирователя входит фотоэлектронный блок, вьфаба ывающий по второму входу формирователя непрерывно с частотой (о метки времени С , соответст- вукщие моментам перехода потока лучистой энергии лазера через нуль.

Исследуемый образец 5 имеет форму тонкого диска с отношением толщины к диаметру не менее 1:10, В качестве датчика 6 температуры может быть использована термопара типа ВР5/20, Роль вакуумной камеры 4 выполняет вакуумная печь типа СШВЛ в комплексе с регулятором температуры, например, ВРТ-3 и с программным задатчиком температуры. Измеритель 7 фазы и амплитуды вьшолнен в виде цифрового прибора. Оптимизатор 9 реализован в виде цифрового автомата, который производит вычисления по формуле и вырабатывает сигнал (цифровой код), по которому формирователь 3 выдает управляющее воздействие, пропорциональное частоте модуляции теплового потока, и на которой погрешности определения одновременно теплоемкости, температуро- и теплопроводности образца минимальны. Код, соответствующий начальному значению частоты колебаний теплового потока О „дц хранится в памяти .автомата.

Устройство работает следуюпщм образом.

После достижения требуемых условий эксперимента (необходимой степени разрежения в вакуумной камере и температуры образца) по команде Пуск оптимизатор 9 в первом такте вырабатывает код, пропорциональный величине СО„дц , который с его первого выхода поступает на вход формирователя 3, а именно на вход программируемого таймера, который по данному сигналу формирует последовательность импульсов, приводящих по вращение со строго постоянной скоростью шаговый двигатель модулятора 2, Диск : модулятора 2 обеспечивает путем пе- .;риодического перекрытия пучка -излу- ченйя ОКГ стопроцентную модуляцию теплового потока по амплитуде-с заданной скважностью. Амплитуда потока определяется по сигналу измерителя 10 мощности излучения ОКГ, непрерывно поступающему по третьему

3128

входу в измеритель 7 фазы и амплитуды. В моменты перехода потока лучистой энергии через нуль формирователь 3 вьфабатывает метки OQ времени, следующие с частотой (j и посту- панлцие в измеритель фазы и амплитуды по его второму входу. Модулированный поток лучистой энергии, взаимодействуя с передней поверхностью исследуемого образца 5, возбуждает в образце колебания температуры, которые при помощи датчика 6 преобразуются в электрические сигналы, поступающие по первому входу в измеритель 7 фазы и амплитуды, где определяется амплитуда О и фаза первой гармоники по отношению к меткам t o времени, соответствующим фазе колебаний теплового потока на передней поверхности образца 5, а также сред- няя температура Т образца. Кроме того, i измеритель 7 фазы и амплитуды, принимая по своему третьему входу сигнал от измерителя 10 мощности теплового потока, на основании извест- ных параметров закона модуляции и

значения определяет амплитуду первой гармоники колебаний теплового потока Q . Измеренные указанным образом значения величин ср , б , Т и Q передаются по первому выходу в память регистратора 8, а значение величины , кроме того, по второму выходу - в оптимизатор 9. Во втором такте оптимизатор 9 заново произво- дит определение частоты СО СО нет + ЛСО , и если оно не отличается (в пределах погрешности измерения) от своего предыдущего значения, т.е. Ьсо О, то по второму выходу формируется сигнал разрешения регистрации значений Ср-гец ,0 , Тир. Указанная процедура повторяется заданное число раз для накопления и последующего усреднения результатов. По ее завер- шению система задания температуры эксперимента получает от регистратора 8 сигнал на переход к следующему температурному уровню.

В случае, если определенное во втором такте значение о не соответствует ранее установленному, разрешения на регистрацию qt , 6 , Т, Q не поступает, по соответствующему хщфровому коду формирователь 3 вьзда- ет новое управление на шаговый двигатель модулятора 2 теплового потока. Процесс сходимости, как правило, iHe превосходит двух-трех шагов. По

измеренным значениям Т, Q с помощью регистратора 8 производятся вычисления ТФС исследуемого образца согласно выражениям результатов в требуемом виде:

а(Т)

о Е

эе

(1)

ое

)

врй

(2)

г /f Р - j,(T)a(f)

(3)

де а - температуропроводность-,

А - теплопроводность;

Ср - теплоемкость при постоянном

давлении;

Т - средняя температура образца;

(О - круговая частота колебаний теплового потока и температуры;

0 - амплитуда колебаний температуры j

- толщина образца;

S - площадь поверхности образца, подвергаемая воздействию модулированного .теплового потока;

Q - амплитуда колебаний теплового потока;

р - плотность материала образца;

эс - критериальная величина определяемая из уравнения

т-arctg

BsCOfc) Ад(эе)

(4)

сдвиг фазы колебаний температуры на поверхности, противоположной нагреваемой относительно колебаний теплового потока;

(5)

В качестве регистратора -8 использован управляющий вычислительный комплекс СМ 1800 с периферийным оборудованием для визуализации и доку- ментирования результатов исследования .

Погрешности измерения ТФС можно оценить, принимая для упрощения, что относительные погрешно сти измерения &Q/Q, д 9 /9, (ktf /l| величины пос- тоянные.

Рассмотрим зависимость погрешностей Гйа/а, Й-А / и iCp/Cj от критериальной величины . Анализ соотношения показывает, что а/а монотонно . уменьшается с увели :;,. чением % и начиная со значения Х- 2, изменяется незначительно. Анализ

от

- -лей

зависимости коэффициента при -тгJt в соотношении показывает, что он достигает минимума при «опт 2,4. Отсюда следует, что минимум погрешностей измерения ТФС достигается, когда критериальная величина -эе равняется 2,4, а оптимальное значение сдвига фазы равно Ч опт 2,46 рад.

Используя исходные данные предыдущего расчета погрешностей измерения ТФС, вычислим эти погрешности для случая Cf сропт ,

Корректирующую поправку к частоте модуляции температуры на поверхности, противоположной нагреваемой, относительно колебаний теплового потока, нагревающего исследуемый образец, поддерживают постоянно путем изменения частоты колебаний тепловог потока на величину

лсо

{:

5,76

H7,3.if - 11, - 0,11)2

- 10,

где со - частота теплового потока}. СР - угол сдвига фаз. Коррекция частоты модуляции (с целью поддержания сдвига фазы на постоянном уровне) обеспечивает в данном способе и устройстве повьше- ние точности определения ТФС приблизительно в 2,5 раза.

Формула изобретения

1. Способ определения теплофизи- ческих свойств материалов, заключающийся в том, что на одну из поверхностей плоского образца, имеющего форму неограниченной пластины, воздействуют периодическим тепловым потоком, измеряют его амплитуду, а также амплитуду колебаний температуры и

5

ее среднее значение на поверхности образца, противоположной нагреваемой, и сдвиг фазы колебаний температуры относительно колебаний теплового потока, по которым рассчитывают тепло- физические свойства материала, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности, величину сдвига фазы колебаний температуры на поверхности образца,противоположной нагреваемой относительно колебаний теплового потока, поддерживают постоянной путем изменения частоты колебаний теплового потока на величину

5.76

,3-1/ - 11,46-- 0,11)2 - 1

0

5

0

5

где oJ - частота теплового потока,

Ч - угол сдвига фаз.

I 2. Устройство для определеиня Teji-| лофизических свойств материала, содержащее источник теплового потока, модулятор теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом источника теплового потока, формирователь, первый выход которого соединен с вторым входом модулятора, вакуумную камеру, оптически связанную с выходом модулятора и имеющую резистивный нагреватель, соединенньй с блоком автоматического программного управления температурой, с датчиком температуры образца, изме- ритель фазы и амплитуды, первый вход которого соединен с выходом датчика температуры, а второй вход - с вторым выходом формир ователя, регистратор, первый вход которого соединен с первым выходом измерителя фазы и амплитуды, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности определения теплофизических свойств материалов, оно снабжено измерителем теплового потока и оптимизатором, причем вход измерителя теплового потока соединен с вторым выходом источника теплового потока, а выход - с третьим входом измерителя фазы и амплитуды, вход оптимизатора соединен с вторым выходом измерителя фазы и амплитуды, а первый и второй выходы - соответственно с входом формирователя и вторым входом регистратора.

5

0

шм

Т

Пуск

редактор Н.Слободяник

Составитель В.Гусева

Техред Л.Олейник Корректор А.Тяско

7706/43

Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

г

«7

1 f

ГффУ

Г

г

Изобретение относится к области технической физики и может быть ис- польз.овано для комплексных измерений теплофизических свойств материалов (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности) в широком диапазоне температур. Целью изобретения является повьшение точности определения ТФС материалов и расширение функциональных возможностей устройства. На рдну из поверхностей плоского образца в виде, неограни- ченной пластины воздействуют периодическим тепловым потоком. Измеряют его амплитуду и амплитуду колебаний температуры и ее среднее значение на противоположной нагреваемой поверхности образца По измеренным /значениям рассчитывают искомые свойства материала. Величину сдвига фазы Cf колебаний температуры на поверхности, противоположной нагреваемой, относительно колебаний теплового потока поддерживают постоянной путем изменения частоты колебаний теплового потока ц на величину лоз 5,76/(,3ср - 11,46 - 0,11)2 - IJco. Устройство содержит источник теплового потока, модулятор теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом источника теплового потока, формирователь, первый выход которого соединен с вторым входом модулятора, вакуумную камеру, оптически связанную с выходом модулятора и имеющую резистивный нагреватель, соединенный с блоком автоматического программного управле- .ния температу)Ой,. с датчиком температуры образца; измеритель фазы и амплитуды соединен с выходом датчика температуры и с вторым выходом формирователя, а регистратор соединен с первым выходом измерителя фазы и амплитуды. Оно дополнительно снабжено измерителем теплового потока и оптимизатором, причем вход из- мерителя теплового потока соединен с вторым выходом источника теплового потока, а выход - с третьим входом измерителя фазы и амплитуды, вход оптимизатора - с вторым выходом измерителя фазы и амплитуды, а- первый и второй выходы - соответственно с входом формирователя и вторым входом регистратора. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. 3 (Л