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

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения теплофизическйх характеристик материалов методом мгновенкото источника тепла. заключаю1.Ц14йся в локальном или тотальном нагреве поверхности испытуемого материала кратковременным тепловым импульсрм, регистрации интервала времени, соответствующего экстремуму температурной кривой после воздействия тепловцм импульсом ха материал, в какой-либо точке испытуемого материала, удаленной от места произведения нагрева.

Недостаток известного способа заключается в том. что он не обеспечивает высокую точность определения коэффициента температуропроводности материалов. Это объясняется тем, что определение экстремума температурной кривой сопровождается значительными погрешностями вследствие размытого характера этого экстремума, что обусловливает субъективные ошибки экспериментатора и пониженную точность работы электронных дифференцирующих устройств.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ определения теплофизических характеристик материалов, вклю ающий импульсное тепловое воздействие линейным источником тепла на поверхность исследуемого материала, регистрацию температуры на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии От него в фиксированный момент времени с последующим вычислением искомых характеристик.

Недостатком указанного способд является его низкая точность, обусловленная необходимостью измерения двух координат точек на поверхности исследуемого материала от линии действия тепла, в которых регистрируется температура, а также относительной сложностью расчетных формул для нахождения искомых характеристик. Цель изобретения - повышение точности. На фиг. 1 показан пример осуществления способа; на фиг. 2 - схема включения измерительных преобразрвателей температуры; на фиг. 3 - графики избыточных температур на линии действия источника тепла Т {0. г), в точке на заданном расстоянии от линии нагрева T(xi, i и разности AT(i:) Т (О, Г) Т (XI, г). На теплоизолированной поверхности испытуемого образца 1 помещают на расстоянии XI линейный нагреватель 2 и датчик 3 температуры и осуществляют воздействие тепловым импульсом. Температурное поле Т (х, при действии линейного импульсного источника тепла на поверхность полуограниченного в тепловом отношении испытуемого образца {Z 0) описывается заВИСЛМОСТЬЮТ() 2Ж(-) ) где Q - знергия теплового импульса в расчете на единицу длины, Дж/м; X - координата, отсчитываемая от оси источника, м; Я- коэффициент теплопроводности, Вт/м; К; а - коэффициент температуропроводности, г-время, с. Температура на линии действия источника тепла определяется соотношением (линейный источник может быть конструктивно совмещен с термодатчиком) П0.г) Для определения теплофизических характеристик материалов осуществляется регистрация момента времени п, соответствующего равенству Между избыточной температурой Т (хк п) в точке на заданном расстоянии Х1 от линии нагрева и разностью избыточных температур AT ( ri) на линии действия тепла Т(0, ri) м на заданном расстоянии от линии нагрева Т (xi, TI). Следовательно, T(xi,Ti)AT(ri) T(0,ri)-T(xi,ri), Д((1-ехр(-41т)Ь() Тогда выражение (3) можно записать Q/ х ПтТтТ 4 а п / 2ггАгЛ ( -Р(-4)-5 Отсюда д 0.36 X Подставив в формулу (4) выражение (7), определяют коэффициент теплопроводностиг- 0.08 Q Д1 Ctr,Ti Формулы (7) и (8) позволяют получить выражение для объемной теплоемкости 0.22 Q а AT(Tf)x Таким образом, при известном значении Q const после подачи теплового импульса, регистрируя момент времени TI, соответствующий равенству между избыточной температурой Т {xi, п) в точке на заданном расстоянии xi от линии нагрева и разностью АТ( TI) избыточных температур на линий действия источника тепла Т(0, ri) и на заданном расстоянии от нее Т (xi, ri), можно по формулам (7), (8) и (9} определить теплофизические характеристики материалов. Для повышения точности может быть рекомендован относительный способ определения теплофизических характеристик материалов. Для этого на теплоизоляторе помещаются линейный нагреватель и датчик(иУ температуры, которые в целом представляют собой измерител1 ный зонд. В режиме калибровки указанный измерительный зонд приводится в тепловой контакт с материалом с известными теплофизическими характеристиками и определяются а, X С /о по формулам (7), (8) и (9). После этого осуществляют измерение теплофизических характеристик испытуемых материалов с учетом данных, полученных при калибровке измерительного зонда. Подобный подход позволяет исключить в значительной степени систематические погрешности измерений и не производить прямые и косвенные измерения величин Q В качестве примера технической реализации предлагаемого способа может быть использовано совмещение линейного электронагревателя с термопарой, спаи которой сварены встык, для измерения температуры Т (0 . На заданном расстоянии xi ot линейного нагревателя измеряются температуры Т (х1, г) 8 двух точках. При этом эти точки могут быть расположены с одной стороны от источника тепла (нагревателя) или симметрично: Т {х1, i) и Т (-Х1, . После подачи теплового импульса переключателем электроды - ермопар соединяются по следующей схеме (фиг. 3). Термопары Тп 1, Тп2 включены согласно (образуют термобатарею) и соединены с термопарой ТпЗ по дифференци льной схемэ. В момент п нуль индикатором регистрируется разность Т (xi,ri)-ДТ( ri)0. Е Я АТ( 1 - термоЭДС, являющаяся функцией разности избыточных температур на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от нее. Методом математического и машинного моделирования на ЭВМ ЕС 1840 проведен расчет избыточных температур при , и -16 м, .5 Дж/м..1Вт/м К, а . Результаты расчетов приведены В1 виде графиков на фиг. 3. На основании полбенных термограмм нагрева определен момемт времени ri 4,81 с, соответствующий равенству Т (х1, ri) AT(ri )1,. По формулам (7) и (8) рассчитаны коэффициенты тепло-и температуропроводности арасч.2,994-Ю м /с; Арасч 0,1004Вт/м -К. Тогда относительные погрешности определения коэффициентов тепло- и температуропроводности будут соответственно равны ,2%, ,4%. Таким образом, использование предлагаемого способа определения теплофизических характеристик материалов позволяет повысить точность определения искдмых коэффициентов по сравнению с прототипом. Формулаиэобретения Способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий импульсное тепловое воздействие линейным источником тепла на поверхность исследуемого материала, регистрацию температуры в двух точках поверхности в фиксированный момент времени с последующим вычислением искомых характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве фиксированного момента времени выбирают момент времени, соответствующий равенству избыточной температуры в точке на заданном расстоянии от линии нагрева и разности избыточных температур на линии нагрева и на заданном расстоянии от этой линии, а искомые характеристики определяют по формулам 0.36 х Д ГСТ1}-Т1 ДТ(т1)-х где а. А, С,р- соответственно коэффициент температуропроводности, теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность исследуемого материала; Q - энергия теплового импульса в расчете на единицу длины; XI - расстояние между линейным источником тепла и точкой контроля на линии, параллельной линии нагрева; AT(г1)- разность избыточных температур на линии действия источника тепла и . на заданном расстоянии от нее в момент времени т когда эта разность равна избыточной температуре в точке контроля.

2 А

Q

х

X --г- -/ /

X

У1.Х / /s«..,««-J

У

Т(о.т). Т(а:-|,Т)

iJt

Изобретение относится к экспериментальной физике и может быпэ/использованодля комплексного определения теплофи- зических характеристик материалов. Цель изобретения - повышение точности. На поверхность исследуемого материала воздействуют тепловым импульсом от линейного источника тепла и регистрируют температуру на линии действия тепла и на заданном расстоянии от зтой линии в фиксированный момент времени, а в качестве фиксированного момента времени выбирают момент, соответствующий равенству избыточной температуры в точке на заданном расстоянии от линии нагрева и разности избыточных температур на линии нагрева и на заданном расстоянии от этой линии. 3 ил.

Ф&1ГЛ.

иульчиндикатор

Тп2

. Tnt.

Tte,;) TCai.T) T(0,t)

Фиг. 2

Б /СдТф

ТпЗ

л ;,81

. Фиг.З

Т(0.т) Т( дТСс)

г « 3 JO 4 г 15 т;с 5