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

t13

Изобретение относится к тепло- .физическому приборостроению и предназначено для определения теплофи- зических характеристик (ТФХ) плоских образцов твердых неметаллических материалов в квазистационарном тепловом режиме на основе теплопоточных измерений.

Цель изобретения - уменьшение погрешности определения теплопроводности и температуропроводности исследуемого образца.

На фиг.1 представлена схема расположения тепломеров, датчиков тем- пературы и прослоек относительно исследуемого образца; на фиг.2 - графики распределения температур и плот ностей теплового потока по сечениям в квазистационарном тепловом режи- ме; на фиг.З - конструктивная схема устройства.

На фиг.1 обозначены тепломеры 1 и 2, контактирующие с исследуемым об разцом, дополнительные тепломеры 3 и 4, неразъемно соединенные попарно с имеющимися тепломерами и 2 соответственно, датчики 5 и 6 температуры поверхностей тепломеров 1 и 2, контактирующих с исследуемым образцом, пары корректирующих датчиков 7, 8 и 9,10 температуры, технологические контактные прослойки 11 и 12, прослойки 13 и 14, имитирующие бал- ластные тепловые сопротивления, исследуемый образец 15, нагреватели 16 и 17.

На фиг. 2 Х,5р гобр -координаты поверхностей исследуемого об- разца; X,, Х2, Х, координаты серединных сечений тепломеров 1 - 4; X 5-, Хр Х-,, Хд, Хд и - координаты сечений, в которых расположены термочувствительные элементы дат- чиков 5-10 температуры.

Устройство, реализующее способ, содержит теплообменник 18, тягу 19, коромысло 20, винт 21, шарнир 22, стакан 23 подвижного экрана, пассив- ную теплоизоляцию 24 подвижного зк- рана, колпак 25, защитный кожух 26.

В основу способа определения ТФХ положено решение одномерной задачи теплопроводности для бесконечной од- нородной пластины толщиной h 2Н. Скорость изменения температуры на поверхностях пластины задана одинаковой и постоянной . (b const). Разность

5 (3

5 О ц

температур поверхностей пластины то-г же постоянна.

При реализации предлагаемого способа плоскир образец исследуемого материала помещают между двумя блоками программированного изменения температуры (например, нагревателями ), с помощью, которых производят разогрев с постоянной и одинаковой скоростью обеих поверхностей исследуемого образца при неизменной разности температур этих поверхностей.

Между нагревателями и поверхностями образца помещены измерители температуры (датчил и температуры) и теплового потока (тепломеры), (фиг.1). В качестве датчиков температуры могут быть использованы, например, термопары, а в качестве измерителей плотности теплового потока - термоэлектрические тепломеры, выполненные по принципу вспомогательной стенки.

Если в качестве и итационных прослоек принять прослойки 13 и 14 ((Ьиг. ), ограниченные сечениями, проходящими через координаты Х-,

и Xg, Xg и X термочувствительных элементов корректир Т|Одих датчиков 7-10 температуры, сумму перепадов температур, измеренных этими парами датчиков температур, можно представить следующим образом

,т -ь лт„

8-7 М-Ю

).кз

(1)

где q ,q , q,,, q, - плотности теплового потока в упомянутых сечениях.

В силу идентичности по теплофи- зическим свойствам и геометрическим размерам обеих имитационных прослоек 13 и 14 имеет место равенство

(Xa.)

,о)

А

0,5R ,

используя которое, а также учитьюая условия расположения имитационных прослоек на одинаковом расстоянии от поверхностей тепломеров, контактирующих с исследуемым образцом, линейности изменения теплового потока по

313578134

толщине, можно равенство (1) преоб- чиков 7,8 и 9,10 температуры на разевать к виду

имитационных прослойках 13 и 14,

.Тз.. Ч-, И -- (2)

Если рассмотреть отношение температурной поправки «ГТ к сумме 2

сСТ

R5:

Т8.,+ JT,., R

зе,

получим выражение температурной поправки через безразмерную константу ;е и сумму перепадов температур, измеренных парами корректирующих дат2i5 hll3li 3,lL

с Т,,-(ЛТ./ Т,.,,)

За температуру отнесения принимается среднеобъемная температура, определяемая интегралом

1

Т(Х)с)х.

° (о.р- .О5р)

(7)

Расчетная формула для температуры отнесения, полученная после ряда преобразований, имеет вид

Т

отн

т +

--Г «

В устройство, реализующее способ определения ТФХ, сожержащее два блока программированного изменения температуры и две пары контактирующих между собой тепломеров 1 и 3,2 и 4, из которых тепломеры 1 и 2, контактирующие с исследуемым образцом 15,снабжены датчиками 5 и 6 температуры поверхностей контакта с исследуемым образцом 15, дополнительно введены две пары корректирующих датчиков 7,8 и 9,10 температуры. Термочувствительные элементы датчиков 5 и 6 температуры расположены в массиве тепломеров 1 и 2 таким образом, что их отделяют от поверхностей контакта с исследуемым образцом технологические прослойки 11 и 12. Термочувствительные элементы двух пар корректирующих датчиков 7,8 и 9,10 температуры расположены по разные стороны от имитационных прослоек 13 и 14 соответственно, которые выполнены так1М образом, что их серединные сечения равноудалены от поверхностей

чиков 7,8 и 9,10 температуры на

имитационных прослойках 13 и 14, т.е.

/Т аг(/гТа.,+ T,.,). (4) Безразмерная константа х не зависит от температуры, поскольку она равна отношению эффективных тепловых сопротивлений, находящихся при близ- IQ ких температурах.

Расчетные соотношения для искомых теплопроводности и температуропроводности прин1Ф1ают вид

-15 л j :-i |jf; ;-jf;-j (5)

г

qj-i+ q -у. (6)

25

30

35

40

45

50

55

тепломеров 1 и 2, контактирующих с исследуемым образцом.

Верхний блок программированного изменения температуры вьшолнен в виде электрического нагревателя 16, а другой блок - в виде нагревателя 17, неразъемно соединенного хорошим тепловым контактом (например, пайкой) с теплообменником 18.

Стабильность теплового контакта тепломеров 1 и 2 с исследуемым образцом обеспечена применением металлической эвтектики, наносимой на поверхность технологических контактных прослоек 11 и 12 тепломеров 1 и 2, контактирующих с исследуемым образцом 15, а также постоянной сдавливающей нагрузкой, создаваемой с помощью механизма нагружения. Механизм нагружения передает усилие на образец 15 через тяги 19, коромысло 20, винт 21 и шарнир 22, скоеп- ленный с нагревателем 16.

Для уменьшения теплообмена с окружающей средой и создания требуемого температурного режима верхний нагреватель 16 и образец 15 окружены подвижным экраном, выполненным в виде стакана 23, из высокотеплопроводного материала. На внутренней боковой поверхности стакана 23 смонтирован слой пассивной теплоизоляции 24 из экранно-вакуумного теплоизоляционного материала. Все устройство в сборке накрыто колпаком 25,. в качестве которого использован сосуд Дьюа- ра в защитном вакуумплотном кожухе 26.

513

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 15 помещают в эазор между тепломерами 1 и 2. С помощью винта 21 образец нагружают с требуемым усилием и опускают подвижный экран 23 и колпак 25. Внутренний объем под колпаком 25 ваку- умируют и с помощью блоков программированного изменения температуры прогревают сборку до температур, превышающих температуру плавления металлической эвтектики, нанесенной на поверхности прослоек 1I и 12 тепломе- ров 1 и 2, контактирующих с иссле- дуемым образцом. Эта операция обеспечивает равномерное заполнение металлической эвтектикой щероховатостей поверхности образца 15 и значительно (на 2-3 порядка ) уменьшает контактное тепловое сопротивление. После вьщержки устройства при этой температуре устанавливают один из режимов программированного изменения температуры.

Первый режим включает охлаждение с помощью теплообменника 18 до нижнего значения диапазона рабочих температур устройства при фиксированной заданной разности температур между нагревателями 16 и 17 и постоянной скорости изменения температуры.

Второй режим включает охлаждение с произвольной скоростью до нижнего значения диапазона рабочих температу с последующим нагревом до верхнего значения диапазона рабочих температу при фиксированной заданной разности температур и постоянной скорости изменения температуры.

Третий режим (циклический ) включает нагрев до верхнего значения диапазона рабочих температур с последующим охлаждением до нижнего значения диапазона рабочих температур при фиксированной заданной разности температур между нагревателями 16 и 17 и постоянной скорости изменения температуры с неоднократньм повторением цикла.

По достижении на любом из указанных режимов квазистационарного теплового .состояния, о чем судят по постоянству показаний тепломеров, свидетельствующему о постоянстве тепловых потоков во времени, производят

0

0

5

8

5

0

5

0

5

0

36

регистрацию показаний: всех тепломеров и датчиков температуры и обработку их по расчетмьвч формулам.

Способ и устройство позволяют повысить точность измерения ТФХ, в частности теплопроводности и температуропроводности на 2% за счет учета теплового сопротивления контактных технологически :: прослоек путем измерения корректирующими датчиками температуры перепадов температур на прослойках, имитирующих балластное тепловое сопротивление, а также за счет улучшения теплового контакта соприкасающихся повер:хностей тепломеров и исследуемого образца путем покрытия поверхностей тепломеров, контактирующих с исследуемым образцом, металлической эвтектикой, теплопроводность которой на несколько порядков Bbmie, чем эффективная теплопроводность газов или жидких органических смазок, применяемых обычно для снижения контактного теплового сопротивления.

Формула изобретения

1.Способ определения теплофизи- ческих характеристик плоских образцов материалов, зак.гаочающийся в измерении плотности теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности плоского образца, температур этих поверхностей, изменении плотностей теплового потока по толщине тепломеров, одновременно являющихся образцами сравнения с известными теллофизическими свойствами, и вычислении искомых характеристик, отличающий- с я тем, что, с целью уменьщения погрешности определения теплофизи- ческих характеристике, в частности теплопроводности и темлературопро- водности, дополнительно измеряют перепады температур на прослойках, имитирующих балластные тепловые соп- рот:ивления контакта, а искомые теплопроводность и температуропроводность вычисляют по формулам

55

, 1 3il

- (f)T(7f; +Tf-;y

0,5 h4q,t q

(T.,) -2(/ T,o)- (

де

Q h

q,.q,

43.,

4j-4

Tf-4

теплопроводность; температуропроводность; толщина исследуемого образца;

плотности теплового потока, проходящего через поверхность исследуемого образца;

изменения плотности теплового потока по толщине образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами;

разность температур сечений, проходящих через координаты термочувствительных элементов датчиков температуры поверхностей тепломеров, контактирующих с исследуемым образцом;

ЗТ 4Т

1-9

и

3-fo

перепады температур на прослойках, имитирующих балластные тепловые сопротивления контакта;

с - константа, учитьшающая известные теплофизические свойства образцов сравнения; at,у - безразмерные константы, не

зависящие от температуры. 2. Устройство для определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов, включающее два соосно и последовательно расположенных блока программированного изменения температуры исследуемого образца, на каждом из которых на обращенных одна к другой поверхностях установлены неразъемно с упомянутыми

30

35

40

чающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности определения, оно дополнительно содержит две пары корректирующих датчиков температуры, при этом термочувствительные элементы каждой пары корректирующих датчиков температуры расположены по обе стороны прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта и размещенной между блоком программированного изменения температуры и поверхностью ближайшего тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, при этом серединное сечение каждой прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта, равноудалено от поверхности ближай- щего тепломера у контактирующего с исследуемым образцом, а эффективное тепловое сопротивление каждой прослойки, имитирующей балластное теп- ловое сопротивление контакта, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективное тепловое сопротивление слоя, расположенного между сечением, проходящим через координату термочувствительного элемента датчика температуры поверхности тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, и этой поверхностью тепломера. I

3. Устройство по п, 2, о т л и- чающееся тем, что., с целью уменьшения погрешности определения теплофизических характеристик за счет улучшения теплового контакта с поверхностями исследуемого образца.

поверхностями два кoнтaктиpyюD иx меж- поверхности тепломеров, контактирую- ду собой тепломера, причем один иэ щих с исследуемым образцом, покрыты них, контактирующий с исследуемым об- металлической эвтектикой с темпера- разцом, снабжен датчиком температуры поверхности тепломера, контактируютурами фазовых превращений, лежащими за пределами диапазона рабочих темщей с исследуемым образцом, о т л и- ператур устройства.

,o)- (

0

5

0

5

0

5

0

- з--- )

12-4

чающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности определения, оно дополнительно содержит две пары корректирующих датчиков температуры, при этом термочувствительные элементы каждой пары корректирующих датчиков температуры расположены по обе стороны прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта и размещенной между блоком программированного изменения температуры и поверхностью ближайшего тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, при этом серединное сечение каждой прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта, равноудалено от поверхности ближай- щего тепломера у контактирующего с исследуемым образцом, а эффективное тепловое сопротивление каждой прослойки, имитирующей балластное теп- ловое сопротивление контакта, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективное тепловое сопротивление слоя, расположенного между сечением, проходящим через координату термочувствительного элемента датчика температуры поверхности тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, и этой поверхностью тепломера. I

3. Устройство по п, 2, о т л и- чающееся тем, что., с целью уменьшения погрешности определения теплофизических характеристик за счет улучшения теплового контакта с поверхностями исследуемого образца.

поверхности тепломеров, контактирую- щих с исследуемым образцом, покрыты металлической эвтектикой с темпера-

поверхности тепломеров, контактирую- щих с исследуемым образцом, покрыты металлической эвтектикой с темпера-

турами фазовых превращений, лежащими за пределами диапазона рабочих тем5

тшшшшт

NWVWVSs

z

X5

X5

1

I I I J |

4-1 - -i-trt-ji JO

4

v///////////////m

Л ЧЛЛААЛ

Tyg 7 TsTsoSt) TfoSoTs ГУ Tfl

1 Г I 11

-.i-X- i

I I I J |.L

f7

-L

-X

Фиг.1

9 2 I2o5p Jrif/ 9f.

0иг.2

Ь

Изобретение относится к тепло- физическому приборостроению и предназначено для определения ТФХ твердых неметаллических материалов. Целью изобретения является повышение точности измерений ТФХ. В способе проводят измерения перепадов температур на прослойках, имитирующих балластные тепловые сопротивления. В устройство введены две пары корректирующих датчиков температуры. Термочувствительные элементы каждой пары расположены по обе стороны прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление, а поверхности технологических прослоек тепломеров, контактирующие с исследуемым образцом, покрыты металлической эвтектикой. 2 с. и 1 з.п.ф-лы. 3 ил. (О сл со ел 00

Составитель В.Гусеза Редактор П.Гереши Техред М.Дндьк Корректор А,Зимокосов

Заказ 5990/42 Тираж 776Подписное

ВНИШИ Государственного комитета СССР

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

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