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

х|

ГО

Изобретение относится к измерительной техники, в частности к устройствам/служащим для определения теплофизических характеристик (ТФХ) (коэффициента теплопроводности, тепловой активности, объемной теплоемкости, степени черноты) материалов, и может быть использовано в авиастроении, машиностроении, приборостроении, производстве конструкционных материалов.

Известно устройство для определения теплофизических характеристик изотропных твердых тел, содержащее герметичную камеру с токоподводами для пропускания через образец электрического тока для его разогрева, приемник тепла в виде оболочки, окружающей центральную часть образца.

Недостатком известного устройства является низкая точность при исследовании образцов малых диаметров, а также невозможность определять теплофизические характеристики анизотропных материалов,

Целью изобретения является повышена точности и расширение классов иссле- дуимых материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения теплофизических характеристик, содержащем герметичную камеру с токоподводами и расположенным внутри цилиндрическим образцом, снабженным приемником тепла в виде оболочки, соосно окружающей центральную его часть, приемник тепла выполнен из металлической фольги, внутренняя поверхность которого имеет степень черноты не менее 0,5, а внешняя поверхность - не более 0,3, при этом расстояние между образцом и приемником тепла в 5-10 раз больше радиуса образца,

Причем с целью повышения точности определения теплофизических характеристик приемник тепла выполнен в виде Цилиндрической оболочки, окружающей образец по всей его длине, с термопарами, расположенными по образующей оболочки, а устройство содержит дополнительный приемник тепла в аиде оболочки, окружающей образец по всей длине, с термопарами, расположенными в центральной ее части.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Герметичная камера 1, в которую помещен исследуемый образец 2, представляет собой, например, электропроводный стержень, по всей длине окруженный с зазором соосным тонким металлическим приемником 3 тепла. По образующей оболочки на

наружной ее поверхности помещены датчики температуры, например термопары 4. Датчик 5 температуры, например термосопротивление, помещается также и в окружающую среду на герметичную камеру. Сигнал от датчиков температуры поступает на измерительный блок 6, а затем - на электронно-вычислительную машину 7, Концы стержня закреплены в зажимах 8, например, цанговых с токоподводами 9, подключенными .к источнику 10 питания. В герметичную камеру врезан патрубок 11, который с помощью вакуумного шланга 12 соединен с вакуумным насосом 13. Для

повышения точности определяемой зависимости теплофизических свойств от температуры за счет медленного остывания образца соосно со стержнем установлен дополнительный приемник 14 тепла в виде оболочки, аналогичной основной, с датчиками 15 температуры в центральной части оболочки по периметру.

Герметичная камера 1 при помощи вакуумного насоса 13 вакуумируется. Вакуум

необходим для того, чтобы исключить влияние конвективного теплообмена и, если измерения производятся при высоких температурах, не допустить окисления образца. Образец нагревается электрическим

током, который поступает от источника 10 питания через токоподводы и зажимы 8. После разогрева образца до заданной температуры источник питания отключается и образец остывает. Тепловой поток от

остывающего Образца распространяется радиально через приемник 3 тепла. Во время остывания образца датчиком температуры, помещенным на приемнике, регистрируется его температура Т0,

Ti, T2, ..., Тп в определенные моменты времени 0, т, TI ,..., rn . Так как известны температуры и степень черноты внешней поверхности теплового приемника, то по закону Стефана-Больцмана определяется

тепловой поток, поступающий от приемника к окружающей среде для тех же моментов времени. Из условий теплового баланса и учитывая, что приемник тепла, выполненный из металлической фольги, практически

не обладает тепловой инерцией, следует, что тепловой поток, поступающий от приемника к окружающей среде, равен тепловому потоку от образца к приемнику. Отсюда определяется температура боковой поверхности образца для моментов времени О, TI , tirn . Зависимость от температуры температуропроводности образца а (Т) в направлении, перпендикулярном продольной оси образца, определяется из решения

обратной задачи теплопроводности. Определение характеристик в осевом направлении образца проводится согласно известной методики. Решая прямую задачу теплопроводности, используя найденную температуропроводность и граничные условия на поверхности образца, определяют градиент температуры в точке поверхности образца. По градиенту температуры и тепловому потоку от образца к приемнику теп- ла по закону Фурье определяются значения радиальной теплопроводности А(Т|) материала образца как функция температуры.

Численное ограничение по степени черноты обусловлено следующими причинами.

Ограничение степени черноты внутренней поверхности экрана минимальным значением 0,5, а внутренней поверхности максимальным значением 0,3 продиктовано тем, что при меньшем значении степени черноты внутренней поверхности (и большем значении Ј внешней поверхности) заметно влияние отражения (и поглощения) на показаниях датчика 4.

В таблице представлены ошибки, полученные экспериментально, в определении температуры образца (бТСт), имеющего температуру 900 К при различных значениях Ј для внутренней ЈВн и внешней ЈВнеш поверхностей.

Как видно из таблицы, при переходе Јвн 0,5 и ЈВнеш 0,3 резко увеличивается ошибка в определении температуры образца (стержня) соответственна в 2,5 и 2 раза. А так как определяют ТФХ материала образца по этой температуре, то и ошибка в их определении тоже велика.

Расстояние между образцом и прием- ником тепла (в 5-10 раз больше радиуса

0

0

5

0

5

0

5

образца) выбирается из следующих соображений: когда это расстояние больше радиуса менее чем в 5 раз, сложно обеспечить соосность между образцом и приемником тепла, а когда это расстояние больше радиуса образца более чем 10 раз, то теряется чувствительность устройства за счет переизлучения энергии в зазоре. Таким образом, приведенные ограничения позволяют повысить точность измеряемых теплофизических характеристик.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Устройство для определения тепло- физических характеристик материалов, содержащее герметичную камеру с токоподводами и расположенным внутри цилиндрическим образцом, снабженным приемником тепла в виде оболочки, соосно окружающей центральную его часть, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения классов исследуемых материалов, приемник тепла выполнен из металлической фольги, внутренняя поверхность которого имеет степень черноты не менее 0,5, а внешняя поверхность - не более 0,3, при этом расстояние между образцом и приемником тепла в 5-10 раз больше радиуса образца.

2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности, приемник тепла выполнен в виде цилиндрической оболочки, окружающей образец по всей его длине, с термопарами, расположенными по образующей оболочки.

3.Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что, с целью повышения точности, оно содержит дополнительный приемник тепла в виде оболочки, окружающей образец по всей длине, с термопарами, расположенными в центральной ее части.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство состоит из герметичной камеры 1, в которую помещен образец 2 электропроводного материала, по всей длине окруженный тонким металлическим экраном (приемникомтепла 3) с термопарой 4. Внутренняя поверхность экрана имеет степень черноты не менее 0,5, а внешняя - не более 0,3. Расстояние между образцом и экраном в 5-10 раз больше радиуса образца. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.