Способ измерения коэффициента температуропроводности материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения коэффициента температуропроводности нэко температуропроводных материалов, не допускающих значительного перегрева контролируемых образцов.

Цель изобретения - повышение точности измерения коэффициента температуропроводности материалов с низкой теплопроводностью.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для осуществления способа измерения козфсЬициента

температуропроводности материалов.

Устройство содержит регулируемый по частоте первый низкочастотный генератор 1 , модулируемый по напряжению источник 2 питания плоского малоинерционного нагревателя 3,, который установлен на поверхности контролируемого образца 4.

(

Нагреватель 3 термоизолирован оболочкой 5. Температура ненагреваемой поверхности образца измеряется термопреобразователем 6 с термочувствительным элементом. Вь1ходной сигнал переменного тока термопреобразователя 6 усиливается усилителем 7 низ- кой частоты, выпрямляется фазочув- ствительным выпрямителем 8, на опорный вход которого через удвоитель 9 частоты и фазовращатель 10 поступает сигнал удвоенной частоты генерато- pa 1. Выходной сигнал фазочувствител ного выпрямителя 8 регистрируется индикатором 11. Измеритель 12 отношения частот, например электронно-счетный частотомер, первым входом соеди- нен с выходом удвоителя 9 частоты, а вторым - с выходом низкочастотного генератора 13, выход его соединен с цифровым индикатором 14.

Сущность способа заключается в следующем. В отсутствие переменной составляющей теплообмена с окружающей средой плоской пластины, в которой возбуждается температурная волна-, распределение температуры Q вдол оси координат Х, перпендикулярной

пластине, описывается выражением

г со у -J.X

cos (tot S 0,e

, Y-)

2Q

где УЛ - температура на нагреваемой

поверхности (); CJ - круговая частота температурной волны;

Q - коэффициент ), ггуропр{1-

в од f: ости .

При услопии одностороннего доступа к контролируемому образцу со стороны ненагреваемой поверхности (например, в технологическом контроле листовых и pynoiiHbix материалов) необходим критерий выбора частоты о, который позволил бы судить и об амплитуде температуры наг-реваемой поверхности. Это нужно, чтобы исключить радиационную составляющую коэффициента теплообмена, которая существенно велика при температуре более 400 К, и кондуктивную составляющую этого коэффициента, вносящую свой вклад в теплообмен при градиенте температуры нагреваемой поверхности и окружающей более нескольких десятых долей градуса. В особенности, это важно, при контроле материалов с низкой температуропроводностью (например, раз- личнь х диэлектрических материалов на основе полимеров), поскольку для ощутимых изменений температуры ненагреваемой поверхности недопустимо

перегревать контролируемый материал.

I

Если длина L температурной волны

L 2W. некоторой частоте W будет равна тол1цине О пластины, т.е. , то поглощение температурной волны в тол- ш;е пластины составляет -.

е е 535 раз

Из этой зависимости следует значение частоты F температурной волны, при которой L 5

У-. 2-7 2Q

откуда

. ..«

Таким образом, условие L S позволяет судить о кол€ бании температу- ры нагреваемой поверхности.

Из последнего выражения очевидна возм:ожность определения коэффициента температуропроводности Q если из- 1зестны 7 и в

Q «I F. , 4ТТ

Таким образом, если принять, что частота температурной волны является

величимой, по котороГ судят лб измеряемой величине Q, то частота, при которой длина температурной волны равна толщине контролируемого образца, прямо пропорциональна коэффициенту теплопроводности

„ tf ,, . Р -jjyQ K-Q,

АТГ

где К -- - коэффициент измерительного преобразования. Например, коэффициент температуропроводности образца пенополиуретана толщиной 1 мм, определенный по предлагаемому способу, равен

S „

41Г

5,097

0,Д056 10

Устройство работает следующим образом.

Мощность нагревателя 3 пульсирует с частотой, равной удвоенному значению частоты генератора 1, и возбуждает температурную волну в контролируемом образце 4. Термопреобразователь 6 с термочувствительным элементом преобразует колебания температуры ненагреваемой поверхности образца 4 в сигнал постоянного тока, модулированный переменной составляющей частоты, равной частоте температурной волны. Усилитель 7 низкой частоты усиливает только переменную составляющую этого сигнала, а фазо- чувствительный выпрямитель 8, в опор ный канал которого включен удвоитель 9 частоты и переменный фазовращатель 10, компенсирующий фазовые набеги в измерительном канале, производит синхронное выпрямление этой составляющей. Индикатор 11 показывает величину амплитуды переменной составляющей температуры на ненагреваемой поверхности образца.

Если установить частоту генератора 13 низкой 1астоты численно равной

f -р- Гц,

где S - толщина образца в мм, то измеритель отнощения частот выполнит операцию деления, результат п которого равен

5J . 4 -и

„ .|. -si,p,,.,o .:j

36064

Цифровой индикатор 14 при этом число п Q 10 м /с.

Так, для измерения коэйхЬициента температуропроводности пенополиуре тана толщиной 1 мм при температуре 333 К необходимо возбудить гармонические колебания температуры-с амплитудой порядка 5 К. С учетом значения коэффициента теплопроводности для

Ш этого материала Q О ,4066 1 0 частота переменного тока, создаюп1е- го переменную составляющую температуру, составляет 2,5-3 Гц.

Предлагаемый способ измерения коt5 эффициента температуропроводности материалов, преимущественно диэлектрических и устройство для его осу- П1ествления повышают точность измерения коэффициента температуропровод20 ности диэлектрических материалов, которые обычно имеют низкие значения этого коэффициента и, следовательно, требуют чувствительных и точных средств измерений очень малых коле 5 баний температуры ненагреваемой поверхности образца.

Формула изобретения

30 1. Способ измерения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на возбуждении температурной волны в образце, моделируемой в плоской неограниченной пластине, из35 мерении амплитуд температурной волны и вычислении определяемой величины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, при измерениях температурную волну ре40 гулируют до установления ее длины, кратной толщине образца, а коэффициент температуропроводности Q определяют по соотношению

S

45

-47п

-F

где S - толщина образца;

F - частота температурной волны;

п 1,2,3 - одно из чисел натурального ряда. I

2. Устройство для измерения коэффициента температуропроводности материалов, содержащее первый генера- тор низкой частоты, соединенный с управляемым источником питания, выход которого соединен с плоским нагревателем, установленным на одной стороне контролируемого образца.

термопреобразователь, установленный на другой стороне образца и соединенный с усихштелем, индикатор, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительно фазочувствительным выпрямителем, удвоителем частоты, фазовращателем, измерителем отношения частот, вторым низкочастотным генератором, вторым цифровым индикатором, при зтом первый вход фазочувст- вительного выпрямителя соединен с выходом усилителя, а выход соединен с

первым индикатором, удвоитель частоты выходом соединен с входом фа 0враща- теля, выход которого соединен с вторым входом фазочувствительного выпрямителя, вход удвоителя частоты соединен с первым генератором, первый вход измерителя отнои1ения частот соединен с выходом удвоителя частоты, а второй вход его соединен с вторым низкочастотным генератором, второй цифровой индикатор соединен с выходом измерителя отношения частот.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения коэффициента температуропроводности низкотемпературопроводных материалов, в том числе диэлектрических, не допускающих значительный перегрев контролируемых образцов. Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициента температуропроводности диэлектрических материалов с низкой теплопроводностью. Способ измерения коэффициента температуропроводности диэлектрических материалов основан на возбуждении плоской температурной волны в образце в виде неограниченной пластины. Прово- дят измерения отношения амплитуд температурной волны на поверхности образца. Частоту температурной волны устанавливают равной значению, при котором длина температурной волны становится равной толщине контролируемого образца материала. Искомый коэффициент температуропроводности определяют по соотношению а S F/4 п , где - толщина образца, F - частота температурной волны. Предложенный способ позволяет точнее и проще проводить измерения температуропроводности диэлектрических материалов. с (Л N5 QD О5 О а „А.

-Ш В

Редактор А.Ревин

Составитель В.Гусева

Техред В.Кадар Корректор М.Демчик

Заказ 378/47Тираж 777Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 1130355 Москва, Ж-35, Раушская иаб,, д. 4/5

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

гз

сшпшлш

G