Устройство для определения теплофизических параметров материалов Советский патент 1990 года по МПК G01N25/18 

физ1

Изобретение относится к исследованию физических свойств веществ и материалов, а именно к устройствам для определения теплофизических свойств материалов на образцах в виде пластин, не прозрачных для излучения нагрева, и может быть использовано в исследовательских лабораториях материаловедения различных отраслей на- родного хозяйства.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для опре- деления теплофизических характеристик материалов; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для определения теплофизических характеристик материалов содержит (фиг. 1) источник 1 импульсного нагрева с регистратором начала импульса, исследуемый образец 2, размещаемый между источником 1 импульсного нагрева и термопарой 3, усилитель 4, повторитель 5, интеграторы 6 и 7, дифференциатор 8, нуль- орган 9, триггер 10, умножитель 11, вычитатель 12, измеритель 13 и источник 14 опорного напряжения. Выход термопары 3 подключен через усилитель 4 к информационным входам повторителя 5 и интегратора 6, выход которого соединен с одним входом вычи- тателя 12. Выход повторителя 5 сое-- динен с одним входом умножителя 11 и с входом дифференциатора 8, выход которого подключен через нуль-орган 9 к счетному входу триггера 10, подсоединенного обнуляющим входом к вы- ходу регистратора начала импульса источника 1 импульсного нагрева и выходом - к управляющим входам повторителя 5 и интеграторов 6 и 7. Интегратор 7 подсоединен информационным входом к выходу источника 14 опорного напряжения и выходом - к другому входу умножителя 11, подключенного выходом к другому входу вычитателя 12, выход которого является выходом устройства и подсоединен к измерителю 13.

На фиг. 2 обозначены сигнал 15 на выходе усилителя 4i сигнал 16 на выходе повторителя 5; сигнал 17 на выходе дифференциатора 8; сигнал 18 на выходе триггера 10; сигнал 19 на выходе интегратора 7; сигнал 20 на выходе интегратора 6; сигнал 21

на выходе умножителя 11; сигнал 22 н выходе вычитателя 12.

Устройство для определения теплофизических характеристик материалов работает следующим образом. .

Тепловой поток от источника 1 импульсного нагрева поступает на исследуемый образец 2.

Одновременно триггер 10 и интеграторы 6 и 7 обнуляются по сигналу с выхода регистратора начала импульса источника 1 импульсного нагрева, тем самым переводя интеграторы 6 и 7 в режим интегрирования входного сигнала, а повторитель 5 - в режим повторителя входного сигнала. Температура на поверхности исследуемого образца 2, противоположной поверхности нагрева, измеряется термопарой 3, сигнал с выхода которой усиливается усилителем 4 (фиг.2, сигнал 15) и поступает на вход интегратора 6 и повторителя 5. На выходе интегратора 6 появляется сигнал, пропорциональный интегралу от температуры Т (сигнал 20), а на выходе повторителя 5 - сигнал 16, пропорциональный температуре.

Интегратор 7 интегрирует постоянное опорное напряжение, поэтому сиг- гал 19 на его выходе пропорционален текущему времени. При достижении максимальной температуры Тm сигнал 17 на выходе дифференциатора 8 становится равным нулю, срабатывает нуль-орган 9, сигналом 18 с выхода которого устанавливается триггер 10 в единичное состояние. Импульсом с выхода триггера 10 интеграторы 6 и 7 и повторитель 5 переводятся в режим запоминания, тем самым на выходах интеграторов 6 и 7 и повторителя 5 запоминаются сигналы, пропорциональные

TdЈ; m и Тm соответственно, где

- интервал времени анализа; Јт- максимальннй интервал времени анализа. Сигналы с выходов интегратора 7 и повторителя 5 подаются на умножитель 11, на выходе которого появляется напряжение, пропорциональное

m

TmdC (сигнал 21). Из этого напряо

жения в вычитателе 12 производится вычитание напряжения с выхода интегратора 6. На выходе вычитателя 12 появляется напряжение, пропорциональг т

ное I | (Tn1-T)d (сигнал 22), которое замеряется измерителем 13. При импульсном нагреве излучением поверхности плоского теплоизолированного непрозрачного для излучения нагрева образца конечной толщины L определяют через количество поглощенной энергии Q интегрированием по времени от до момента Ът когда Т Т, и в интервале (ТШ-Т) между максимальной (Тт) и текущей (Т) температурой на поверхности, противоположной поверхности нагрева, теплофизические пара- метры исследуемого образца 2 по формулам

-Т7

L2T2 61

Q

TmL

(1)

(2)

(3) (4)

где I

J (Tm- T)dC;

а,Ь, А- соответственно коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и теплоусвояе- мости материала объекта; f- объемная теплоемкость материала .

. Соотношения (1) - (4) вытекают из решения задачи о распределении температуры Т в термически изолированной пластине конечной толщины L при подводе к одной из поверхностей энергии сГ-импульсом, причем энергия поглощается в поверхностном слое бесконечно малой толщины.

Решение для поверхности пластины, противоположной поверхности нагрева, получается с помощью импульсного коэффициента в виде

-S- Ь+2 t (-1)ьехР(-а ГЬ 1 t

П2 II 2 Л

-jj-0

где п - натуральное Так как

О

ю

15тт-т

-2Т,

m

во

I

П: 1

6

(-1)

ехр(-а

2lЈV

L2

(6)

Интегрируя (6) делах от Г 0 до

J(V тиг- Tmg

по времени в пре- Ј с , получим

(7)

Теоретическому значению , когда Т Т, на практике отвечает соответствующий момент времени

- Тогда, обозначив J (Т -T)dС I,

I

получим искомые расчетные формулы (1) - (4) в которых значение Т определяется с помощью предлагаемого устройства.

Вычисление коэффициентов a, v, Д, b по формулам (1) - (4) не представляет технической сложности и реализуется стандартными алгоритмами.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерений теп- лофизических параметров материалов примерно на порядок. Так, для исследования образцов из вольфрама в виде дисков диаметром 20-32 мм и толщиной 1-2 мм, нагреваемых лампой- вспышкой ИФК-120 (длительность импульса 3 мс), имеющих значение коэффициента температуропроводности а 6,27 -10 5(м2/с), получены следующие результаты. С помощью известного прибора ТАУ-1, определяющего коэффициент температуропроводности по времени, когда вторая производная от

температуры по времени станет равной нулю, значение измеряемого коэффициента, полученное как среднее из десяти измерений при надежности доверительного интервала, равной 0,997,

составило а (7,94±0,1)10 5(м2/с), т.е. отклонение от табличного значения равно 26,6%. Измеренное с помощью предлагаемого устройства соответствующее значение коэффициента

теплопроводности составило а (6,4It ±0,02)-10 (м2/с), что дает отклонение от табличного значения 2,24%.

Формула изобретения

I . Устройство для определения теп- лофизических параметров материалов, содержащее источник импульсного нагрева с регистратором начала импульса, термопару, усилитель, источник опорного напряжения, нуль-орган, триггер и дифференциатор, выход которого через нуль-орган подключен к счетному входу триггера, подсоединенного обнуляющим входом к выходу регистратора начала импульса, выход термопары соединен с входом усилителя

, отличающееся

тем, что, с целью повышения точности, в него введены два интегратора, умножитель, вычитатель и повторитель, подключенный информационным входом к выходу усилителя и к информационно-

му входу первого интегратора, управляющим входом - к управляющим входам обоих интеграторов и к выходу триггера и выходом - к входу дифференциатора и к одному входу умножителя, другой вход которого соединен с выходом второго интегратора, подключенного информационным входом к выходу источника опорного напряжения, выход первого интегратора соединен с одним входом вычитателя, выход умножителя подсоединен к другому входу вычитателя, выход которого является выходом устройства.

Изобретение касается исследования физических свойств веществ и материалов, а именно устройств для определения теплофизических свойств материалов на образцах в виде пластин, не прозрачных для излучения нагрева. Цель изобретения - повышение точности. В устройство, содержащее источник 1 импульсного нагрева, термопару 3, усилитель 4, дифференциатор 8, нуль-орган 9, триггер 10 и источник 14 опорного нарпяжения, введены повторитель 5, интеграторы 6, 7, умножитель 11 и вычитатель 12, что позволяет заменить операцию двойного дифференцирования для определения точки перегиба температурной кривой операцией интегрирования этой кривой, что обеспечивает повышение точности. 2 ил.

22