Устройство для комплексного определения теплофизических свойств материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения тепло- физических свойств материалов.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения.

На чертеже представлено устройство, общий вид.

Устройство содержит измеряемый объект 1, герметичный неразъемный корпус 2, камеру 3, наполненную непоглощающим излучение газом и слабопоглощающим в используемом диапазоне электромагнитных волн пористым про- ницаемым материалом 4, окно 5, неразъемно соединенное с пористым мате-- риалом 4 и стенками камеры 3, находящееся в тепловом контакте с объектом, выполненное из материала,

прозрачного в используемом диапазоне ЭМВ и имеющего большой коэффициент температуропроводности, датчик 6, чувствительный к колебаниям давления газа, подсоединенный к камере 3, источник 7 электромагнитных волн с излучателем, который при измерении тонких объектов может быть расположен сзади или спереди корпуса 2, а для полубесконечных объектов - сзади корпуса 2, модулятор 8 излучения, электронный блок 9 обработки и регистрации сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 7, модулированное по амплитуде с помощью модулятора 8 на частотах С0( и(0й, последовательно проходит через корпус 2 и поглощается в образце 1 на длине 1

оэ со

со

00 wg

ю

где

1о( V

а об коэффициент

10

15

20

25

поглощения материала образца в используемой области длин волн электромагнитного излучения (ЭМИ). Частоты выбираются, например, так, что при 03, глубина проникновения тепловых

волн в образце 1Т( л}2К0/СО, (К - коэффициент температуропроводности) больше глубины поглощения , а при 6)г-1Т2 меньше 1. Тепловые волны с частотами 0)| и 002 , возникшие за с.чет поглощения модулированных электромагнитных волн, распространяются через окно и вызывают в газе, заполняющем пористый материал 4, акустические колебания с теми же частотами. Эти колебания регистрируются с по- моп;ыо датчика 6,чувствительного к изменению давления, преобразуются в электрические колебания, усиливаются, обрабатываются и регистрируются в блоке 9.

Амплитуда сигналов при частотах модуляции (О, непропорциональны: первая - корню квадратному из произведения коэффициента теплопроводности объекта на его теплоемкость, а

эг теристиками корпуса и окна камеры, вторая - теплоемкости объекта. Из по- -3°

лученных экспериментально амплитуд сигналов при известных значениях Wi и С0п°пределяют теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности и коэф- 35 фициент тепловой активности.

В предлагаемом устройстве используются окна толщиной на 1-2 порядка меньшей, чем в известном устройстве. Это обусловлено жестким неразъемным 40 соединением окна с пористым материалом. В этом случае упругие характеристики окна будут определяться., не столько свойствами материала окна и его геометрическими размерами, сколь- 45 ко упругими свойствами массивного пористого проницаемого материала и диаметром пор.Последние могут быть порядка нескольких микрон и толщина окна вполне может быть сравнима 50

т - длина те вой диффузии по толщине окна, умен шение 1 на 1-2 порядка позволяет и пользовать при том же затухании ча тоты на 2-4 порядка больше. При эт рабочие частоты модуляции могут ле жать в диапазоне от десятых долей герц до десятков килогерц. Последн дает возможность проводить измере ния теплофизических характеристик териалов, имеющих коэффициенты погл щения, лежащие в диапазоне 10 1 , т.е. более широком, чем в известном устройстве. Это расширяе круг измеряемых материалов с помощ устройства с одним и тем же источн ком ЭМИ.

Таким образом, уменьшение толщи окна позволяет реализовать условие 1 Ј 1Г, обеспечивающее передачу без ослабления оптико-акустическог (ОА) сигнала от измеряемого образц в камеру во всей полосе рабочих ч тот модуляции, что приводит к пов нию общей чувствительности устройс

Заполнение камеры пористым мате риалом, обладающим диэлектрическим характеристиками, идентичными хара

приводит к тому, что структура пол в плоскости, перпендикулярной лучу после прохождения камеры не изменя ся. Таким образом, для изменяемого образца с любыми диэлектрическими характеристиками распределение выделяемой переменной тепловой мощности по площади соприкосновения образца и окна остается неизменным Поскольку амплитуда измеряемого ОА сигнала однозначно связана с велич ной и структурой распределения выд ляющейся тепловой мощности, неизме ность этой структуры для разных образцов обеспечивает повышение то ности измерений.

Диаметр пор пористого материала определяется из следующих соображе ний. Требование однородности порис го материала по отношению к проход щему излучению с длиной волны п водит к ограничению диаметра пор сверху. При этом материал можно сч тать однородным в том случае, если при прохождении излучения через него потери рассеяния на неодноро ностях существенно меньше потерь п лощения. Это соответствует соблюде

с диаметром пор, обеспечивая необходимые жесткость и стабильность своих характеристик во времени и при воздействии механических и тепловых нагрузок.

Поскольку амплитуда температурной волны при прохождении окна уменьшает ся как (1 ) и 1Т 00 , где

31387л

1 - толщина окна, а 1

10

15

20

25

. ,

т - длина тепловой диффузии по толщине окна, уменьшение 1 на 1-2 порядка позволяет ис- пользовать при том же затухании частоты на 2-4 порядка больше. При этом рабочие частоты модуляции могут лежать в диапазоне от десятых долей герц до десятков килогерц. Последнее дает возможность проводить измерения теплофизических характеристик материалов, имеющих коэффициенты поглощения, лежащие в диапазоне 10 1 , т.е. более широком, чем в известном устройстве. Это расширяет круг измеряемых материалов с помощью устройства с одним и тем же источником ЭМИ.

Таким образом, уменьшение толщины окна позволяет реализовать условие 1 Ј 1Г, обеспечивающее передачу без ослабления оптико-акустического (ОА) сигнала от измеряемого образца в камеру во всей полосе рабочих частот модуляции, что приводит к повышению общей чувствительности устройства.

Заполнение камеры пористым материалом, обладающим диэлектрическими характеристиками, идентичными характеристиками корпуса и окна камеры,

приводит к тому, что структура поля в плоскости, перпендикулярной лучу, после прохождения камеры не изменяется. Таким образом, для изменяемого образца с любыми диэлектрическими характеристиками распределение выделяемой переменной тепловой мощности по площади соприкосновения образца и окна остается неизменным. Поскольку амплитуда измеряемого ОА сигнала однозначно связана с величиной и структурой распределения выделяющейся тепловой мощности, неизменность этой структуры для разных образцов обеспечивает повышение точ- ности измерений.

Диаметр пор пористого материала определяется из следующих соображе -- ний. Требование однородности пористого материала по отношению к проходящему излучению с длиной волны приводит к ограничению диаметра пор сверху. При этом материал можно считать однородным в том случае, если при прохождении излучения через него потери рассеяния на неоднород- ностях существенно меньше потерь пог-. лощения. Это соответствует соблюдению условия d 6 тт- , где d - диаметр пор. С другой стороны, размер i пор снизу ограничен условием малости акустических потерь при прохождении акустической волны вдоль пор с регистрацией их амплитулы с помощью датчика, чувствительного к давлению.

Уменьшение амплитуды звуковой волны при распространении ее в капиллярной трубке пропорционально exp fjix), где 3 - коэффициент затухания; х - расстояние вдоль трубки. Для капиллярных трубок, заполненных воздухом, | -пропорционален корню квадратному из коэффициента трения 81

V

где (U - коэффициент

вязкости; г0 - радиус капилляра. При- няв, что уменьшение амплитуды звуковой волны в конце капилляра должно быть не более 1 %, получают следующую оценку диаметра капилляров пористого материала

d

f ---- Р

частота модуляции излучения;

плотность газа в камере;

1к - длина капилляров (глубины камеры); с - скорость звука в а

газе, заполняющем камеру.

Для камеры, заполненной воздухом, (1) получают при f 1 Гц, d «

а при f 10 Гц, d

10

- 20 631387

а 0,1 мкм, 10 мкм.

Если использовать электромагнитное излучение с длиной волны fl 10-0,1 см, то пористый материал с мкм позволяет удовлетворить обоим условиям, обеспечивая реализуемость конструкции.

В качестве материала камеры может быть использовано органическое стекло, а в качестве материала,заполняющего камеру, - материал на основе кварца с капиллярной структурой.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемое устройство имеет следующие преимущества: обладает большей чувствительностью за счет возможности использования более- тонкого окна; обеспечивает более высокую точность измерений теплофизи- ческих свойств материалов с различными диэлектрическими характеристиками за счет сохранения неизменного вида распределения выделяемой в образце мощности по плотности его соприкосновения с окном.

15

25

Формула изобретения

Устройство для комплексного определения теплофизических свойств материалов по авт.св. № 1485103, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, объем камеры заполнен пористым проницаемым материалом, имеющим диэлектрические характеристики, идентичные материалу корпуса, и неразъемно соединенным с его окном.

S

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности материалов. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений. Устройство содержит источник электромагнитного излучения, модулятор излучения, герметичную камеру с окном, находящимся во время измерения в контакте с исследуемым образцом, датчик давления газа в камере, блок регистрации и обработки параметров, связанный с датчиком давления. Объем камеры за- .полней пористым проницаемым материалом, имеющим диэлектрические характеристики, идентичные материалу корпуса, и неразъемно связанным с окном камеры. 1 ил. с & (Л