Способ определения теплопроводности материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел.

Известен способ определения теплопроводности твердых тел, включающий нагрев эталонного и исследуемого образцов подвижным точечным источником тепловой энергии, регистрацию предельных температур на линии нагрева при некотором перво- начальном и измененном расстояниях отставания датчика температуры от источника энергии для каждого из образцов. По разности предельных температур, измеренных при первоначальном и измененном рас- стояниях отставания, рассчитывают величину теплопроводности.

Недостатками способа являются его невысокая точность, обусловленная тем, что

сложно осуществить изменение расстояния отставания датчика от источника в процессе его движения так, чтобы траектория его движения не сместилась с линии нагрева. Кроме того, исследуемые образцы должны быть достаточно однородными, так как при изменении расстояния отставания датчика от ис- точника регистрируют предельные температуры в разных частях образца.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения теплопроводности, включающий нагрев исследуемых и эталонных образцов точечным источником энергии и измерение теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры при относительном взаимном перемещении образцов и датчика, жестко связанного с источником, по прямой, соедиV|

I

ел

плющей источник и датчик. Кроме того, теп- лозое излучение образцов одновременно измеряют оторым датчиком температуры, располагаемым симметрично первому относительно источника энергии на прямой, проходящей через первый датчик и источник энергии. С помощью двух датчиков измеряют начальную и предельную температуры, по которым рассчитывают искомую величину,

Недостатками этого способа являются его сложность м низкая произсодитель- нссть, обусловленные наличием операций измерения начальных температур и вычита- иили их из-предельных температур о продес- се расчета теплопроводности, а также невысокая точность, обусловлен ;;; вогмож- ным различимом характеристик датчикез.

Цель изобретения -упрощен:; способа и повышение точности определения теплопроводности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения тепл- .прэоодности материалов, включающем нагрсп исследуемых и эталонного образцов TO-ISMMLIM источником энергии и измерение еплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры, расположенным нз фиксированном расстоянии от источника, при относительном взаимном перемещении образцов и датчика по прямой, соединяющей источник и жестко связанный с ним датчик, периодическое перемещение площадки визирования датчика по поверхности исследуемых и эталонных , намерение соответствующих после,..,, и зтг.пскно- му образцам амплитуд «озни: щих ко.ле- Гч ;; ий сигнала датчика и оп;к. по ним искоксй величины, площэ;:ку визирова- i-.nr. перемещаю - :-о замкнутся траектории, пересекающей линию нагрева и непересе- г.ающей точки нагреэл, с центром, расположенным на линии, перемещения источник относительно образце и с максимумом температуры, находящимся в точке пересечения с линией нагрева.

Вседомие операции сканирования по указанной траектории позволяет заменить операцию г.читыьзнил с диаграммной ленты показаний двух радиометров и поточечного вычитания одного показания из другого одной операцией считывания амплитудного значения сигнала датчика. Это приводит к значительному сокращению времени на считывание и обработку результатов измерений и, следовательно, к повышению производительности способа.

Уменьшение погрешности определения теплопроводности обусловлено двумя причинами.

13о-порсых, за счет введения операции сканирования по указанной траектории для определения предельной избыточной темпера, туры достаточно одного датчика вместо

дьух, используемых в известных устройствах. В результате исключается погрешность, вызванная различием их характеристик.

Во-втсрых, если в известном способе

для определения предельной избыточной температуры используется косвенный вид измерений (измеряются две температуры и вычисляется разность между ними), тот в предлагаемом способе измерение предельной избыточной температуры является прямым и сиод1 тся к измерению амплитуды колебаний сигнала датчика. При этом известно, что погрешность прямых измерений меньше, чем косвенных.

Пересечение траекторий сканирования линии MarpL.ua обеспечивает измерение темпегмг, ры на этой линии. Расположение центра о: .ужности на линии нагрева необходимо для того, чтобы измеренная в одной

из точек пересечения траектория с линией нагрева температуры была максимальной на траектории, что необходимо для обеспечения возможности определения теплопроводности по известным расчетным

соотношениям. Условие непересечения траекторией сканирования точки нагрева вытекает из требований известной математической модели (температура в этой точке стремится к бесконечности).

, 1 -3 приведены примера - раек- тор- й сканирования; на фиг. А - схема устройства доя осуществления способа.

Возможность достижения по .тоолеи- нсй цели указанным способом док-.-зызаетс я следующим.

ИЗЗЕССТИО, что при нагреве поверхности полубйсконеч Ю о тела точечным источником энергии мощ::0п;.:3 о, со;:мси:-. с мачолог. коорлчнат-п перемещающимся

вдоль оси X со скоростью V, температура Т на порерхности тела определяется аыражеJiHC-M

Д-- ехр/-1 Н- Y2 2 л

Т То +

2л л

jy 5l:LX

2л

где Т; - нпчальнап температура; 55Y - ось ордпис ;

А- коуффмциситтеплопроводности тела;

а- коэффициент температуропроводности тола.

При сканировании датчика по окружности с радиусом R, измеряя амплитуды колебания сигнала датчика температуры при измерении на эталоном абразце (Лет и исследуемом образце Um обр. можно определить коэффициент теплопроводности образца Добр:

,(2)

итобр

где /в - теплопроводность эталона.

Пусть центр окружности лежит в точке нагрева (фиг. 1). В этом случае координаты точки визирования можно определить из соотношений

X-RCOSQM,(3)

Y-Rslnot,(4) где со-угловая частота вращения площадки визирования.

Подставляя эти величины в (1). получаем:

-ггЬгЧ- 1 (5)

Определим экстремальные значения этой функции из условия

JT

d(on)

0.

0

5

0

5

ях на эталоне и исследуемом образце, можно определить коэффициент теплопроводности по формуле (2).

Очевидно, что формула (2) применима и для многих других траекторий сканирования, основанных на вращательном движении сканирующего элемента. Например, на фиг. 2 приведена траектория сканирования для случая вращения луча визирования вокруг оси. находящейся под некоторым углом к нормали к поверхности тела в точке нагрева. Этот случай интересен с практической точки зрения, так как при реализации способа может возникать необходимость наклонного расположения радиометра, и в этом случае легко добиться, чтобы амплитуда колебаний датчика была равна предельной избыточной температуре Тмакс - Т0 «. следовательно, была справедлива формула (2).

Рассмотрим случай, когда центр окружности, по которой перемещается площадка нагрева, находится на линии нагрева и отстает от движущейся точки нагрева на расстоянии Хо (фиг. 3). Траектория сканирования пересекает линию нагрева в точках а и b . Очевидно, что максимальная температура наблюдается в точке а:

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел. Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения теплопроводности. Поставленная цель достигается тем. что нагрев образцов осуществляют движущимся точечным источником энергии и измеряют тепловое излучение от поверхности образцов датчиком, жестко связанным с источником энергии, при периодическом сканировании теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры по траектории типа окружности. Измеряют амплитуды переменных сигналов, возникающих при сканировании поверхности эталонных и исследуемых образцов и на их основе рассчитывают теплопроводность. 4 ил. fe

Легко показать, что максимальное значе- 30 кие температуры наблюдается при о t - л (т.е. на оси X с координатов - R) и равно

Тмзкс ™ То +

2;rAR

Минимум температуры наблюдается при О) t- 0 (т.е. на оси с координатой + Р)и равен

T -TO+TS IR- «(-Ґ-) (ч

Размах колебаний температуры равен

(тг floe)

Для любых реальных значений коэффициента температуропроводности можно подобрать такой режим измерения (V, R), что величиной ехр(- VR/a) можно будет пренебречь; с учетом этого из (8) получаем:

.

Тмакс Тмин

2tfAR

(9)

Измеряя амплитуду колебаний сигнала на выходе датчика температуры при измерени

о

2яА(-Н)

(Ю)

30

35

40

45

50

55

С помощью численных расчетов легко показать, что для любых реальных значений коэффициента температуропроводности легко подобрать такой режим измерения (V, R), чтобы с достаточной степенью точности выполнялось соотношение

Тмим То.(11)

что обеспечивает возможность применения формулы (2).

Таким образом, в широком диапазоне реальных значений величин а. V, R, Х0 существует возможность определения коэффициента теплопроводности по измеренным амплигудам колебаний сигнала датчика с помощью формулы (2).

Устройство, с помощью которого реализуется способ содержит сосредоточенный источник 1 энергии и датчик 2 температуры, расположенные под снабженной электроприводом 3 платформой 4, на которой установлены Эталонный 5 и исследуемые б образцы. Оптикомеханическое сканирующее устройство 7 установлено перед входным окном датчика 2 так, чтобы сканировать тепловое излучение от поверхностей образцов 5 и 6 по траектории типа окружности, пересекающей линию нагрева и не пересекающую точку нагрева, с центром, расположенным на линии перемещения источника 1 относительно образцов 5 и 6.,Выход датчика 2 последовательно связан с усилителем 8, амплитудным детектором 9 и регистратором 10.

Способ осуществляют следующим образом.

Расположенные на платформе 4 эталонный образец 5 с известной теплопроводностью и исследуемые образцы б перемещают с постоянной скоростью V 2 - 10 мм/с относительно неподвижных источника 1 зне ргии и датчика 2 температуры (возможно осуществление способа с перемещением жестко связанных источника 1 энергии и датчика 2). С помощью регистратора 10 и амплитудного детектора 9 измеряют усиленные усилителем 8 амплитуды колебаний сигнала на выходе датчика 2 при перемещении над ним эталонного оразца 5 (UierHi исследуемых образцов 6 (От обр). На осноУ

вании измеренных амплитуд, определяют теплопроводность по формуле (2). Формула изобретен ия Способ определения теплопроводности

материалов, включающий нагрев исследуемых и эталонного образцов точечным источником энергии и измерение теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры при относительном взаимном перемещении образцов и датчика по прямой, соединяющей источник и жестко связанный с ним датчик, отличающий- с я тем, что, с целью упрощения способа и повышение точности определения тёплопроводности, площадку визирования датчика периодически перемещают по замкнутой траектории, пересекающей линию нагрева и непересекающей точку нагрева, и с максимумом температуры, находящимся в точке

пересечения с линией нагрева, измеряют амплитуды возникающих колебаний сигнала датчика и определяют по ним искомую величину.

Фиг.1

Фиг.З