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

Изобретение относится к теплофизиче- скому приборостроению и предназначено для исследования теплофизических характеристик (ТФХ) материалов.

Известен способ измерения ТФХ, заключающийся в том, что мгновенный тепловой импульс известной энергии G подают на переднюю поверхность плоского адиабатического образца, в котором распространяется вследствие этого одномерный тепловой поток, и регистрируют изменение температуры его задней поверхности на экране осциллографа. Температуропроводность,

теплоемкость и теплопроводность образца рассчитывают по формулам

a 0,139 2/ti/2

Ср G/ )

(ITm) .

(1) (2) (3)

ч

ГО

Ј О

где а, Ср, А - температуропроводность, удельная теплоемкость и теплопроводность образца, соответственно м2/с, Дж/(кг К), Вт/(м-К);

p, I - плотность и толщина образца, соответственно кг/м3, м;

ti/2 - время достижения изменения температуры задней поверхности образца половины своего максимального значения, с;

G - энергия теплового импульса, поглощенная передней поверхностью образца, Дж/м ;

Тт - величина максимального изменения температуры задней поверхности образца, К;

Недостатками данного способа являются низкая производительнсоть измерений, ограничение на длительность теплового импульса, отсутствие учета тепловых потерь с поверхности4 образца.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, заключающийся в периодическом импульсном нагреве известной мощностью образца, находящегося внутри массивной металлической оболочки, температура которой вместе с образцом монотонно изменяется. При этом измеряют приращение температуры и из рассмотрения уравнения теплового баланса при действии на него теплового импульса и без него определяют только теплоемкость согласно выражению

dT

dT

т()р+()о

dt

dt

(1+сь-Ос+оь),

(4)

где m - масса образца, кг;

Р - мощность теплового импульса, Вт;

(-j-)р , ( -т-)о - скорости изменения температуры на прямолинейных участках температурной зависимости при действии теплового импульса на образец и без него, соответственно, К/с;

поправка на изменение условий теплообмена;

Ос поправка на температурную зависимость теплоемкости образца;

оь - поправка на изменение линейной скорости роста температуры оболочки за время измерения при переходе от прямолинейного участка температурной зависимости при действии теплового импульса на образец и без него.

Недостатками известного способа является низкая производительность и малая информативность процесса измерения теплоемкости материалов.

Одним из факторов низкой производительности является измерение лишь теплоемкости образца, а теплопроводность и тем- пературопроводность необходимо измерять другими методами.

Кроме того, этот способ почти полностью исключает возможность достоверного измерения теплоемкости термодеструктивного материала вследствие осаждения продуктов термодеструкции на внутренней поверхности оболочки и резком изменении

при этом коэффициента теплопередачи и, следовательно, поправки (fa. Изменение по этой же причине теплового сопротивления между малоинерционным импульсным нагревателем и образцом приводит также к

большим непредсказуемым ошибкам и в определении величины мощности импульсного воздействия и паразитной теплоемкости нагревателя и термопары.

Целью изобретения является пивышение производительности и информативности процесса измерения ТФХ материалов, особенно при значительных тепловых потерях, например, их термодеструкции.

Поставленная цель достигается тем. что соглано способу, заключающемуся в одновременном нагреве образца по линейному закону и периодическими импульсами и измерении приращения его

температуры во времени, нагревают переднюю поверхность плоского образца простой формы, возбуждая в нем распространение одномерного теплового потока. По изменению приращения температуры его задней поверхности во времени определяют величину критерия Био, характеризующего тепловые потери с поверхности образца, а температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость

вычисляют согласно выражениям:

, Г Vi -V21 3 -гг

5

Vi -V2i

3L

в,(2 + в,)(Т,-T0)-AT ,,-- ifAll -uT

а О,kl

(5)

(6)

a v 2Bi

-)

On

paN 10Bi(6 + B|) B + 10Bi+30

-S(3dj-c)- V25(2d+c) -i;0d(d-l-cl 2(d+c)

(7) (8)

-критерий Био:

d AiN/22 + AaVai;

(A2-Ai); Ai T21 -To ;

(Ю)

A2 T22 -To - AT T22 ;

.-(11)-CKOPoсть линейного нагрева образца, К/с;

TL ц; T2i,t2i; t2i; T22, t22 - температура и соответствующее ей время температур- но-временной зависимости приращения температуры задней поверхности образца для области действия импульсного теплового воздействия (индекс 1) и его отсутствия в 2 точках (индексы 21, 22) соответственно, К, с;

3Ti

ati

ат21

3t21

Vi

V21

111

at2 a2T2i

aT22 at22

i - Р T22

V22

at22

- первые

и вторые производные температуры по времени для области действия импульсного теплового воздействия (индекс 1) и его отсутствия в 2 точках (индексы 21, 22) соответственно, К/с, К/с2;

Т0 - начальная температура образца, К;

g - плотность мощности теплового импульсного воздействия, поглощаемого передней поверхностью образца, Вт/м2.

Формулы для расчета а, А образца получены из выражений, описывающих распре- деление температуры в бесконечной пластине толщиной I для случая граничных условий 3-го рода при монотонном разогреве обеих ее поверхностей и периодическим импульсным тепловым воздействием на одну из них. В этом случае дифференциальное уравнение теплопроводности пластины имеет вид:

аЧ ЭХ2

ат at

(12)

-a(T-Y(t))+g(t);. (13)

-HS-L -a(T-Y(t)):

,Ј в начальных условиях

Т(х, о) Т0

з

или в относительных координатах

о2Т

aj аго

(1.6)

-В|Т

ат

5Г

-(Bi Y + Rg)Yi(F0)

Bi Y Y2 ( Fo ) ,

(17)

где Ј X/l - относительная координата, на передней поверхности Ј 0, на задней тю- верхности Ј 1;

X - текущая координата по толщине образца, м;

R I/ A - тепловое сопротивление об- разца, м2К/Вт;

о. - тепловые потери с поверхности образца, Вт/м2К,

Fo at/I2 - критерий Фурье;

Y(t) - величина линейного нагрева. К; эМ мощность ступенчатого теплового воздействия, Вт/м .

Дифференциальное уравнение (16) с граничными условиями (17). решалось с использованием двух современных аппаратов прикладной математики - интегральных преобразований Лапласа и вариационных методов, что позволило получить решение довольно простого вида достаточной точности, удобного для использования в инже- нерной практике проектирования теплофизических приборов.

Величину g с учетом коэффициента поглощения материала образца можно определять до процесса измерения, используя высокостабильный источник мощности теплового воздействия или непосредственно, например, с помощью того или иного измерителя мощности теплового излучения (при этом погрешность йзмере- ния может быть довольно мала, около ±0,5%) или используя дополнительный эталонный образец.

Размеры исследуемого образца, имеющего простую цилиндрическую форму без необходимости дополнительной обработки, могут быть достаточно малы и определяются необходимостью прохождения в образцеодномерноготепловогопотока, который принимается таковым, если отношение диаметра образца к толщине не меньше 5, и быстродействием системы ре- .гистрации переходного процесса, которая может составлять десятки микросекунд. При этом достигается большая скорость линейного нагрева и малое время измерения. Например, скорость линейного нагрева для образца из молибдена размерами диаметром 5 мм, толщиной 1 мм составляет 63 К/мин, что в 10 раз превышает скорость линейного нагрева по известному способу.

Процесс измерения заключается в регистрации температуры в трех точках тем- пературно-временной зависимости температурного превышения задней поверхности образца - одной для области импульсного теплового воздействия и двух при его отсутствии, для определения критерия Био.

Критерий Био определяется по экспериментальной зависимости. На участке без импульсного теплового воздействия характер изменения температуры задней поверхности образца, ее скорость изменения, пропорциональна величине тепловых потерь, которые характеризуются критерием Био. Поэтому берутся две рабочие точки на заднем склоне кривой переходного процесса и по ним определяется критерий Био.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства измерения ТФХ; на фиг.2 - зависимости изменения температурного превышения 6 Т (Т-То), первой

V ат/ЗРо и второй #Т/ЗРЈ ее производной от критерия Фурье; на фиг.З - фрагмент изменения температурного превышения задней поверхности образца из молибдена в процессе измерения его ТФХ в диапазоне температур от 300 до ШОК.

Данный способ может быть реализован с помощью устройства (фиг.1), содержащего лазер Т, формирователь импульсов на основе соленоида с задвижкой 2 и задатчик 3 . длительности, образец 4, находящийся в измерительной ячейке 5, нагреваемой электрической печью 6 сопротивления по линейному закону с помощью термопары 7 и задатчика 8 температуры, термопару 9, измеряющую изменение температурного превышения на задней поверхности образца 4. Устройство содержит также операционный усилитель 10, усиленный сигнал с которого подается на микроЭВМ 11, сопряженную с дисплеем 12 и цифропечатью 13, зеркало 14 и измеритель 15 энергии импульсного теплового воздействия.

Способ осуществляют следующим образом.

При включении задатчика 3 срабатывает задвижка 2, импульсное тепловое воздействие заданной длительности подается на переднюю поверхность образца 4 и одновременно запускаются задатчик 8 температуры, нагревающий измерительную ячейку 5 по линейному закону, и микроЭ ВМ 11, начинающая отсчет времени и регистрацию температуры задней поверхности образца 4 с

ее линеаризацией при помощи термопары 9 и усилителя 10 от момента подачи импульсного теплового воздействия на его переднюю поверхность. После прекращения действия импульсного теплового воздействия через некоторое время в образце 4 устанавливается регулярный тепловой режим 2-го рода, начало которого определяется постоянством значения первой производной,и равенством нулю второй производной

изменения температуры от времени (фиг.2). При выполнении этих требований с некоторой точностью микроЭВМ 11 выдает сигнал запуска на задатчик 3 и процесс повторяется снова. При этом микроЭВМ 11 регистрирует в своей памяти не всю совокупность значений температурно-временной зависимости температурного превышения, а лишь трех значений температур, первых и вторых их производных с соответствующими временами. Температурные точки выбираются довольно произвольно, хотя для определенности их можно определить для области импульсного теплового воздействия как температуру, соответствующую половине

максимального значения температурного превышения, а для области отсутствия импульса как температуры, соответствующие 1/3 и 2/3 длительности этого превышения при отрицательной величине первой производной температуры по времени, т.е. на ниспадающем ее участке, Величина мощности импульсного теплового воздействия измеряется до и после всего цикла измерений в данном температурном диапазоне с помощью зеркала 14, устанавливаемого на время измерения этой энергии на оптической оси устройства и измерителя 15 тепловой мощности, соединенного с микроЭВМ 11, определяющей ее усредненное значение по нескольким измерениям.

Формула изобретения Способ измерения тёплофизических характеристик материалов, заключающийся в

одновременном нагреве образца по линейному закону и периодическими импульсами, измерении приращения его температуры во времени, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и информативности процесса измерения теп- лофизических характеристик материалов, особенно при значительных тепловых потерях, нагревают периодическими импульсами переднюю поверхность образца и при измерении приращения температуры его задней поверхности во времени определяют величину критерия Био, выбирая рабочие точки на кривой переходного процесса произвольным образом, причем температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость определяют по математическим зависимостям

а I2 Vi -V21 .

N Vi -V21

d AiV22 - A2V2i;

AI T2i -To

(A2-Ai);

A2 T22 - To - ДТ t22 ;

AT ViV21-ViV2i

AT fri -V21: СКОРОСТЬ

линейного повышения температуры (К/с);

Ti,ti, T21, t2i, T22, 122 - температура и

соответствующее ей время температурно- временной зависимости превышения температуры задней поверхности образца для области действия теплового импульсного воздействия (индекс 1) и его отсутствия в

двух точках (индексы 21, 22) соответственно (К. с).

Изобретение относится к теплофизиче- скому приборостроению и .предназначено для исследования теплофизических характеристик. Способ заключается в одновременном нагреве образца по линейному закону периодическими импульсами и измерении приращения его температуры во времени. Для повышения производительности и информативности процесса измерения теплофизических характеристик материалов, преимущественно при значительных тепловых потерях, нагревает переднюю поверхность плоского образца. Измеряют приращения температуры задней поверхности образца во времени, определяют по ней величину критерия Био, характеризующего тепловые потери с поверхности образца, а температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость определяют по математическим зависимостям с использованием критерия Био. 3 ил. со

А

. I2 , ДТ Vi -ДТ Ч1 Bi(2+Bi)(T,-Т„)-ДТ Ч+ -(l-i;N

CD .

pa

где а, Я Cp, I, p - температуропроводность, теплопроводность, удельная теплоемкость, толщина и плотность образца соответственно, м/с вт/мК; дж/кгК: м; кг/м ;

N 10Bi(6 + Bi)

в -MOBi +зо :

в. 5JLg+)- и («+с ТЫ™(а + с) ,ритерий Био.

25

/ - . Л Ti .

0

V21

ЭТ21 3t21

v-4tV21 L;3t2i

d&2

первые

и вторые производные температуры по времени для области действия импульсного теплового воздействия (индекс 1) и его отсутствия в 2 точках (индексы 21,22) соответственно, К/с, К/с2;

То - начальная температура образца, К;

д - плотность мощности импульсного теплового воздействия, поглощаемого передней поверхностью образца, Вт/м2.

Xg w xi w -x-iS

16НШ

3 г ST,K

50

(ОС

iso fr