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

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено для исследования теплофизических характеристик (ТФХ) материалов.

Известен способ измерения ТФХ, заключающийся в анализе изменения температуры задней поверхности образца, вызванного распространением в нем двух- мерного теплового потока от воздействия мгновенного теплового импульса на его переднюю пбверхность с учетом неограничен- ных по величине тепловых потерь. Анализ заключается в определении совокупности температуропроводностей а для ряда температур этого изменения вблизи его начала, аппроксимацией их методом наименьших квадратов многочленом второго порядка вида

a(0 a0+a2t2(1)

и экстраполяцией его к началу тепловогр распространения в образце, т.е. к моменту

времени , когда тепловые потери также равны нулю.

Недостатком данного способа является низкая точность измерения температуропроводности, особенно в случае длительности теплового импульса ги , соизмеримого с временем прохождения тепловой волны через образец,когда

ги(2).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, согласно которому определяют теплоемкость исследуемого образца путем подачи короткого теплового импульса как на исследуемый образец, так и на эталон и измеряют повышения их температур.

Исследуемый образец и эталон берут малых размеров одинаковой простой формы, например, полудиски, толщиной 1-2 мм и диаметром двух полудисков 10 мп. Для

равенства поглощаемой тепловой энергии, т.е. стабилизации коэффициента поглощения, на их поверхности наносится тонкое зачерняющее покрытие, например платиновая чернь, со стабильными оптическими характеристиками в измеряемом диапазоне температур. Расчетные формулы получены без учета теплообмена исследуемого образца и эталона с окружающей средой.

Недостатком данного способа является низкая точность измерения особенно при наличии тепловых потерь с поверхности образца.

Например, при высокотемпературном измерении теплоемкости полимерно-композиционных материалов рабочий объем измерительной ячейки необходимо продувать слабым потоком инертного газа для удаления продуктов деструкции, что вызывает большие конвективные потери с поверхности образца. Поэтому при применении рассматриваемого способа измерение теплоемкости можно проводить для высоких температур только в вакууме с ограничением верхнего предела температуры, когда критерий Био Bi« 1 и теплообмен образца с окружающей средой можно не учитывать в рас четах.

Целью изобретения является повышение точности особенно при наличии тепловых потерь с поверхностей образца и эталона.

Поставленная цель достигается тем. чго образец и эталон помещают в одинаковые условия теплообмена с окружающей средой, одновременно нагревают одинаковыми тепловыми импульсами их передние поверхности ч измеряют температурное приращение задних поверхностей.

В случае мгновенного теплового импульса, когда не выполняется для образца и эталона неравенство (2) рассчитывают температуропроводность эталона (аа) согласно известной методике и сравнивают с его паспортным значением (аэ).

Если , изменяют, например, методом половинного деления полученную из расчетов с погрешностью 15%-ную величину максимального приращения температуры задней поверхности эталона - ТШ2, если бы тепловые потери с его поверхности отсутствовали и рассчитывают а, до тех пор, пока BЈ не будет равна аэ с пренебрежимо малой погрешностью. Тогда, относительная погрешность определения полученного значения Тт2. которое обозначают как Ттэ, определяется выражением ДТтэ/Ттэ- « 4Л аэ/аэ.

Считая, что изменение величины Тт2 по отношению к Ттэ в реальном случае вызвано исключительно тепловыми потерями с поверхности эталона, а их величина одинакова для образца и эталона, так как создают для них идентичные условия теплообмена с окружающей средой и изменяют значение Tmii полученной для образца, на ту же величину, на которую отличается Тт2 и Ттэ. Новое значение Тт1, обозначенное как Тто, является величиной максимального приращения температуры задней поверхности образца, если бы тепловые потери с его поверхности отсутствовали. Погрешность

определения Тто при равенстве тепловых потерь образца и эталона и инструментальных погрешностей измерения их температур равна погрешности определения 1 Ттэ. Используя полученное таким образом значение Тто, рассчитываем согласно известных выражений температуропроводность образца ао. Кроме того, если принять, что энергии тепловых импульсов, поглощенные передними поверхностями образца и

эталона одинаковы, то можно определить величину этой энергии Q, а, зная Q и Тто, рассчитать теплоемкость и теплопроводность образца.

Если же длительность теплового импульсар соизмерима с временем прохождения тепловой волны через образец и выполняется неравенство (2) для образца и эталона, то температуропроводность, рассчитанная согласно приведенной методике,

имеет дополнительную погрешность, вызванную конечной длительностью ги. Исключение этой погрешности, достигающей 20%, необходимо проводить всякий раз, когда рассчитывается температуропроводность образца и эталона согласно выражению:

,,

где t 1/2- время достижения температурного приращения образца половины своего

максимального значения для адиабатического случая без учета длительности теплового импульса, с j

а0, а0 - температуропроводность образца с учетом и беЗ; учета длительности теплового импульса,

tc - характеристическое время, определяемое выражением

яН2/(л2а)с, где I - толщина образца.

Формула изобретения

Способ измерения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в одновременном импульсном нагреве передних поверхностей образца и этплона, измерении температурного приращения их задних поверхностей и измерении его максимального значения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, особенно при наличии тепловых потерь с поверхностей образца и эталона, на образце и эталоне обеспечивают одинаковые условия теплообмена с окружающей средой, причем максимум Ттэ температурного приращения эталона определяют путем подбора, начиная с его измеренного значения Ттэ1 до значения Ттэ, когда обеспечивается совпадение паспортной и расчетной величин температуропроводности эталона, затем определяют уточненное значение максимума Тто температурного прираще- ния образца введением поправки, учитывающей одинаковый теплообмен эталона и образца, равной разности между расчетной и измеренной величинами максимума температурного приращения эталона |Ттэ-Ттэ11.

а затем, используя уточненные значения максимумов Ттэ и Тто,. определяют температуропроводность по известным выражениям, а удельную теплоемкость и теплопроводность рассчитывают по формулам

( A/ /ObXU/ipJOWTmo): Ло а0Срэ /Ээ(1э/1о)(Ттэ/Тто),

где а0, Сро. РО, 1о - температуропроводность, удельная теплоемкость, плотность и толщина образца соответственно м/с Дж/кг К, кг/м3, м;

Срэ.рэ, 1э удельная теплоемкость, плотность и толщина эталона соответственно Дж/кг-К, кг/м , м;

Тто, Ттэ - максимумы температурных приращений образца и эталона с учетом тепловых потерь, К.

Назначение: изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено для исследования теплофи.- зических характеристик материалов. Сущность изобретения заключается в том, что образец и эталон помещают в одинаковые условия теплообмена с окружающей средой, одновременно нагревают одинаковыми тепловыми импульсами их передние поверхности и измеряют температурное приращение задних поверхностей. Теплофизические характеристики образца рассчитывают учитывая тепловые потери с образца и эталона, которые определяют при идентичных условиях теплообмена на образце и эталоне.