Способ определения теплопроводности материалов Советский патент 1990 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизи- ческим измерениям и может быть использовано для определения теплопроводности материалов.

Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения искомой характеристики.

Способ определения теплопроводности материалов заключается в измерении теплового состояния идентичных образцов из исследуемого и эталонного материала в моменты времени, когда температуры их поверхности в сходственных точках достигают заданного. - равного значения. Для обеспечения работоспособности способа вводятся два ограничения: критерий Фурье (FQ) должен быть больше 0,25, а отношение теплопроводности исследуемого материала и эталонного не должно превышать

десяти. Оба ограничения позволяют реализовать квазилинейный профиль между поверхностью образцов и точкой, расположенной на расстоянии 1/3 радиуса от их оси.

На фиг.1 показано устройство для осуществления предложенного способа; на фиг.2 - схема включения термопар; на фиг.З - кривые, иллюстрирующие обработку результатов измерения температур.

Устройство содержит два измерительных прибора (например, потенциометра) 1 и 2, к которым на изолированных термоэлектродах 3 присоединены эталонный 4 и рабочий 5 образцы, имеющие одинаковые размерь и форму. Для крепления образцов к термоэлектродам и одновременного измерения температуры и перепада температур в характерных точках образцов горячие спаи термопар закрепляют на одинаковой глубине яа 1/3 радиуса от центра и на поверхности образцов. Электропечь 6 устанавливают на поверхности столика 7, поддерживаемого пружиной 8 на оси 9. Цилиндрические экраны Ю с двойными стенками жестко закрепляют на неподвижной крышке 11, Стержни 12 предназначены для фиксации поворотного столика относительно неподвижной крышки. Для определения коэффициента теплопроводности эталонный 4 и рабочий 5 образцы нагревают в электропечи 6 до заданной температуры, после чего опускают столик 7, выводя из цилиндрических экранов 10 нагретые образцы, поворачивают столик 7 до упора и поднимают его. При этом нагретые образцы оказываются внутри охлаждаемых экрано 10 на воздухе.

Процесс охлаждения эталона и рабочего образцов внутри охлаждаемых экранов описывается следующими урав- нениями: для эталона

- Чт

ЧТГЭ7 F3T VW Ч V(1).

30

, (2)

для образца

atuS

ffp-- 1 )F. г оБр

где - коэффициент теплоотдачи; 35

Л - теплопроводность; At - перепад температуры по толщине образца; г - радиус образца;

F - боковая поверхность образца; 40 t0$tw температура окружающей среды

и поверхности образца соответ-1- ственно.

Индекс обр относится к исследуемому образцу, а индекс эт - к образ-45 цу из эталонного материала.

Поскольку образец и эталон изготовляются одинаковых размеров и формы, а термопары устанавливаются в сходственных точках на равных расстояниях 50 между спаями, то Рэт РоГр; гэт г0{-р.

Кроме того, если измерение теплопроводности производить в моменты времени, когда температуры на поверх ности образца и эталона равны vVoSp t , то, разделив выражение (О на выражение (2), находим:

5 0

5

4t

0

5

0

5

0

5

offp

эт

(3)

эт dtod

При получении уравнения (3) учитывается, что для мойентов, когда t We&f tW конвективные составляющие коэффициентов теплоотдачи от образца с/ oS и эталона к окружающему воздуху с температурой равны, оказываются равными в эти моменты и лучистые составляющие коэффициентов теплоотдачи Л oS и лэт, причем при выполнении экранов из материалов со сте- пенью черноты в на порядок меньше, чем у образцов (например; при ,03- 0,04), последнее условие Л0«-р /л эт выполняется при различных интегральных коэффициентах излучения поверхностей эталона и образца.

Следовательно, для нахождения коэффициента теплопроводности по предложенному способу достаточно измерить температуры в двух сходственных точках исследуемого образца. Предложенный способ не имеет ограничений по числу одновременно исследуемых образцов и позволяет получить температурную зависимость коэффициента теплопроводности в любом интервале температур.

На фиг.З в качестве примера показаны кривые охлаждения рабочего образца (кривая а) и эталона (кривая Б) внутри охлаждаемых экранов, при этом кривые а и Б характеризуют изменение температуры на поверхности образца и эталона, а кривые 6 и i.- перепад температур dt на 1/3 радиуса от центра и на поверхности образца и эталона. Для нахождения теплопроводности при некоторой темпратуре, например t , через координату tm проводится прямая, параллельная оси времени (абсцисс),до пересечения с кривыми изменения температур на поверхности образца (кривая з) и эталона (кривая S), из точек пересечения проводятся прямые, параллельные оси ординат, до пересечения с кривыми изменения перепадов температур. Полученные точки пересечения дают значения &t0$f uAt9TB моменты, когда . Эти значения подставляются в расчетное уравнение (3).

Аналогично определяются значения коэффициентов теплопроводности при других температурах.

Таким образом, предложенный способ достаточно прост в реализации, позволяет за один опыт определить темпера5Г) 7-861

турные чапигммис i н i еплтфоролноо и у большого числа обратной. При выполнении условия, что отличие коэффициентов теплопроводности образца и эталона не более чем в пять раз, погрешность способа не превышает 3%, при разнице в 10 раз погрешность достигает 5,2%.

10

Формула изобретения

Способ определения теплопроводности материалов в режиме их монотонного охлаждения, включающий измерение перепада температуры по толщине исследуе- jr мого и эталонного образцов с последую26

щим вычислением искомой характеристики, отличающийся тем, что, с цепью упрощения способа и повышения точности, охлаждение исследуемого и эталонного образцов с отношением теп- лопроводностей не более пяти осуществляют в среде с постоянной температурой, а перепад температуры по толщине образцов измеряют на расстоянии 1/3, радиуса от осп и на их поверхности в сходственных точках при критерии Фурье не менее 0,25 в моменты времени, когда температуры на поверхностях образцов достигают заданного равного значения.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения теплопроводности. Определение теплопроводности включает измерение перепада температуры по толщине исследуемого и эталонного материалов между их поверхностью и точкой на расстоянии 1/3 радиуса образцов в процессе их монотонного охлаждения. Измерение перепада температуры осуществляют в моменты времени, когда температуры на поверхностях образцов в сходственных точках достигают заданного равного значения, при этом критерий Фурье должен быть не менее 0,25. 3 ил.

тщт

Фин

фиг. 2

Фиг.З