Способ определения коэффициентов температуропроводности материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

фиг 1

разователем (6) устанавливают образец материала (4). Термопреобразователь установлен с возможностью перемещения относительно материала. Нагрев образца материала 4 осуществляют нагревателем (3). Температурные волны в процессе распространения в материале 4 испытывают затухание и фазовую задержку. Сведения об этих изменениях получают с помощью термопреобразователя (6) в виде переменного напряжения удвоенной частоты сначала в точке, соответствующей максимальному значению переменного напряжения, а затем еще по меньшей мере в 2-х точках, расположенных друг от друга на расстоянии, не превышающем толщину материала. Переменное нэп ряжение с термопреобразователя (6) каждый раз подвергают фазочувствительному выпрямлению до нулевого значения с использованием опорного напряжения, удвоенной частоты. При перемещении

термопреобразователя относительно материала 4 выпрямленное напряжение изменяется по косинусоидальному закону, периодически проходя черед нулевые значения. Для вычисления коэффициента температу- ропроводности материала подсчитывают количество нулевых значений в процессе перемещения термопреобразователя (6), измеряют компенсирующее изменение фазы переменного напряжения до получения ближайшего нулевого значения выпрямленного напряжения. Коэффициент температуропроводности вычисляют по формуле (m+ Atpo/я f, где F - частота переменного напряжения, m - количество нулевых значений выпрямленного напряжения в процессе перемещения,Дрь- компенсирующее изменение фазы переменного напряжения, I - расстояние между двумя точками. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил

Использование: для определения коэффициента температуропроводности низко- температуропроводящих материалов, преимущественно листовых материалов и плоских изделий из полимерных материалов. Сущность изобретения: устройство содержит низкочастотный генератор (1), усилитель (2) мощности, малоинерционный точечный нагреватель (3), термоизолированный оболочкой (5), термопреобразователь

Изобретение относится к области теп- лофизических измерений и может быть использовано для определения коэффициента температуропроводности низкотемперату- ропроводящих материалов, преимущественно листовых материалов (искусственной кожи, резины, картона) и плоских изделий из полимерных материалов.

Известен способ измерения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на возбуждении плоской температурной волны в исследуемом образце, моделируемой неограниченной пластиной, измерении отношения амплитуд гармонических изменений температурной волны в двух изотермических плоскостях образца и использовании измеренного отношения для определения коэффициента температуропроводности.

Преимуществом этого способа является строгое выполнение граничных условий, независимость результатов измерений от начального распределения температуры в образце, возможность уменьшения влияния теплообмена исследуемого образца с окружающей средой простыми средствами, например большой частоты гармонического нагрева.

Однако указанный способ обладает низкой точностью из-за ряда допущений, принимаемых для линеаризации уравнения теплопроводности и краевых условий. Особые трудности возникают при измерении коэффициента температуропроводности

тонких листовых и пленочных материалов, так как требуются весьма чувствительные и точные способы измерения температуры. Следует учитывать, что с уменьшением толщины исследуемых материалов уменьшается разность температур его поверхностей, а следовательно, уменьшается и затухание температурной волны.

Известен способ измерения коэффициента температуропроводности, заключающийся в возбуждении переменной по частоте колебаний температурной волны в моделируемом неограниченной пластиной образце, измерении разности фаз колебаний температурной волны между двумя изо- термическими поверхностями на двух частотах, определении коэффициента температуропроводности по формуле, являющейся результатом решения уравнения

теплопроводности Фурье для гармонической составляющей температуры. В этом способе для исключения основной составляющей, обусловленной теплообменом с окружающей средой, определяют критерий

Био из уравнения, связывающего его с разностью фаз колебаний температуры между двумя изотермическими поверхностями на двух частотах, отличающихся в два раза. Недостаток указанного способа состоит

в том, что выбор диапазона частот равным октаве не является оптимальным по достижимой точности для широкого диапазона значений коэффициента температуропроводности. При исследовании материалов с

низкой температуропроводностью выбранный диапазон является слишком широким, поскольку на верхней частоте, определяемой условием исключения теплообмена, резко уменьшается амплитуда колебаний температуры, Это обстоятельство требует применения более чувствительных, но менее точных средств измерения фазы, а на нижней частоте тепловые потери становятся весьма существенными.

Известен способ измерения коэффициента температуропроводности материалов и устройство для его определения, основанный на возбуждении температурной волны в образце, моделируемом в плоской неограниченной пластине, измерении амплитуд температурной волны, регулировании температурной волны до установления ее длины, кратной толщине образца, и определении коэффициента температуропроводности а по соотношению

а W

F,

где д - толщина образца;

F - частота температурной волны,

, 2, 3 - одно из чисел натурального ряда чисел.

Устройство для измерения коэффициента температуропроводности материалов согласно данному изобретению содержит первый генеоатор низкой частоты, соединенный с управляемым источником питания, выход которого соединен с плоским нагревателем, установленным на одной стороне контролируемого образца, термопреобразователь, установленный на другой стороне образца и соединенный с усилителем, индикатор, фазочувствительный выпрямитель, удвоитель частоты, измеритель отношения частот, второй низкочастотный генератор, второй цифровой индикатор, при этом первый вход фазочувствительного выпрямителя соединен с выходом усилителя, а выход соединен с первым индикатором, удвоитель частоты выходом соединен с входом фззочувствительного выпрямителя, вход удвоителя частоты соединен с первым генератором, первый вход измерителя отношения частот соединен с выходом удвоителя частоты, а второй вход его соединен с вторым низкочастотным генератором, второй цифровой индикатор соединен с выходом измерителя отношения частот.

Однако известному способу и устройству присущи определенные недостатки. Так, основу способа составляет регулирование и измерение частоты температурной волны

35 до достижения равенс ва длины волны в материале его толщины, что индицируется по ослаблению амплитуды волны в заданное число раз (в 535). Однако по амплитуде переменной составляющей температуры на

40 ненагреваемой поверхности образца невозможно точно зафиксировать указанное ослабление, так как амплитуда выходного сигнала непостоянна и определяется не только температуропроводностью исследу5 емого материала, но и уровнем мощности, подводимой к нагревателю, значением коэффициента усиления усилителя, чувствительностью термопреобразователя, которые изменяются во времени и в зависи0 мости от параметров окружающей среды.

Кроме того, в процессе изменения частоты из-за тепловой инерции нагревателя и термопреобразователя, наличия электрических задержек в электронных преобразова5 тельных звеньях (удвоителе частоты, усилителе и т.п.) возникают неконтролируемые фазовые сдвиги в цепях измерительного и опорного напряжений, которые изменяют измеряемое напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя. И, наконец, в процессе регулирования частоты напряжение генератора низкой частоты не остается постоянным, что также вызывает погрешность в фиксировании данного ослабления темпе5 ратурной волны.„

Целью изобретения является повышение точности определения температуропроводности исследуемого материала.

Поставленная цель достигается тем, что в

0 известном способе определения коэффициента температуропроводности, заключающемся в воздействии на образец материала тепловых импульсов, создающих радиальные температурные волны в материале, получают

5 информацию о температурных изменениях . на противоположной стороне образца в виде переменного напряжения удвоенной частоты, производят фазочувствительное выпрямление переменного напряжения с

0 использованием опорного напряжения удвоенной частоты и вычисляют коэффициент температуропроводности по формуле. При этом дополнительно предусмотрено, что информацию о температурных изменениях на проти- 5 воположной стороне образца получают сначала в точке, соответствующей максимальному значению переменного напряжения, а затем еще не менее чем в двух точках, расположенных друг от друга на расстоянии, 0 не превышающем толщину материала, подсчитывают количество нулевых значений выпрямленного напряжения, компенсируют фазу переменного напряжения до получения ближайшего нулевого значения

выпрямленного напряжения и вычисляют коэффициент температуропроводности по формуле

р.( V7 8чт + ЬроТп

где Г - частота переменного напряжения;

m - количество нулевых значений выпрямленного напряжения в процессе перемещения термопреобразователя;

Лро - компенсирующее изменение фазы переменного напряжения.

Поставленная цель достигается также тем, что известное устройство для определения коэффициента температуропроводности, содержащее малоинерционный нагреватель, установленный с одной стороны образца материала и подключенный через усилитель мощности к низкочастотному генератору, и термопреобразователь, установленный с другой стороны образца материала и последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фазочувстви- тельный выпрямитель и индикатор, причем второй управляющий вход фазочувстви- тельного выпрямителя через фазовращатель и удвоитель частоты соединен с низкочастотным генератором, дополнительно содержит второй фазовращатель, выход которого соединен с первым сигнальным входом фазочувствительного выпрямителя, а вход - с выходом усилителя низкой частоты, при этом термопреобразователь установлен с возможностью перемещения относительно образца материала. Согласно изобретению предусмотрено закрепление термопреобразователя на каретке, установленной на микрометрическом винте.

Именно заявляемые операции по получению информации о температурных изменениях на ненагреваемой стороне образца материала в нескольких точках, что достигается путем перемещения термопреобразователя, подсчет количества нулевых значений выпрямленного напряжения, компенсация фаз переменного напряжения до получения ближайшего нулевого значения выпрямленного напряжения с помощью второго фазовращателя, в совокупности с известными признаками обеспечивают достижение цели изобретения. А также позво- ляют сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом

На фиг 1 изображена картина распространения температурных волн в исследуемом образце материала от точечного нафевателя. на фиг 2 функциональная

схема устройства для определения коэффициента температуропроводности материалов

Сущность способа заключается в следующем.

Нагрев образца исследуемого материала (фиг. 1) осуществляют малоикерционным нагревателем А, на который воздействует переменное напряжение U/v частоты а).

При этом в образце исследуемого материала распространяются радиальные температурные волны с удвоенным значением частоты переменного тока /2о) /. Эти волны в процессе распространения испытывают

затухание и фазовую задержку в зависимости от расстояния между источником А и приемником В температурных волн. В отсутствие переменной составляющей теплообмена с окружающей средой распределение

амплитуды и фазы переменной составляющей температуры в вдоль оси координат X, расположенной вдоль радиуса к источнику излучения А, описывается выражением

25

0 00ехр( - T-x)cos(2ort - ), (1) а я

где РО амплитуда переменной составляющей температуры на нагреваемой поверхности ();

о)- круговая частота переменного тока;

а - коэффициент температуропроводности материала.

Длина температурной волны в материале определяется выражением

L 27r/tfy,(2)

1 а

и в общем случае может быть значительно меньше толщины д исследуемого материала I.

Температурные волны, прошедшие материал, преобразуются малоинерционным приемным термопреобразователем В в электрическое переменное напряжение соответствующей амплитуды и фазы. Это напряжение используют как измерительное UMSM. которое подвергают фазочувствительно- му выпрямлению с использованием опорного напряжения U0nop. Последнее формируют из

переменного напряжения Цго .нагревающего излучатель А, путем удвоения его частоты. Для определения температуропроводности образца перемещают приемный термопреобразователь В по ненагреваемой

поверхности материала до достижения положения BL соответствующего максимальному значению переменного напряжения. Очевидно это положение соответствует минимальному расстоянию между излучате9177635010

лем А и приемником В1. которое равно тол-Us S00exp( - 7w3i V ог Ч- щине б исследуемого материала.аа

Измерительное напряжение для этого4-2f«(ri +Г2) - ty ± положения можно представить в виде

U, S00exp( - «) + « +& /pi)cos(rwr + + ). (7)

а а

+2o)(ri + Т2) + (3)При перемещении приемного термопреобразователя из положения Bi в поло- где S - крутизна преобразования темпера-Ю жение В2 на расстояние И температурная туры в напряжение;волна от излучателя А до приемника Bz про- П и га - тепловые постоянные времениходить путь

соответственно излучателя и приемника,-,-птемпературных волн; 5i Vd Ч- (H/2J4 VT+ (И /iSf . (8)

/у-|- дополнительный фазовый сдвиг от15

электрических задержек в цепи измеритель-При дальнейшем перемещении приемного напряжения.ного термопреобразователя выпрямленное Выпрямленное напряжение, получен-напряжение изменяется по косинусоидаль- ное с использованием опорного напряже-ному закону, периодически проходя через ния, описывается выражением20 нулевые значения. При перемещении на измеренное расстояние la/to/ и подсчете колиU2 S00exp( - /иГд) Ч-чества нулевых значений выпрямленное

а. анапряжение принимает вид

+ (ri + Г2) ч- - Лиг, (4).

ид2J ч 25Ue S(9oexp( 2) +

где Дда дополнительный фазовый сдвигаа

от задержки в цепи опорного напряжения.+ + та) + сщ - Л Ч-

Если толщина образца больше длины

температурной волны /б /, то разность s00exp( - )со5(пл: Ч- % Ч- mnpi) (9) фаз измерительного и опорного напряже- a ний больше 2л: (360°). Поэтому выпрямленное напряжение в общем случае можно™e m число нУлей- полученных при плав- представить в виденом перемещении приемного термопреобразователя от начального нуля (Bi) до

U3 S0oexp()cos(n4-p), (5) 35 Достижения фиксированного расстояния

aI2/B2/ до достижения фиксированного расгде п - целое число фазовых полуциклов встояния 12/Вз/; л /1800/;Pi -дробная часть последнего фазового

Р - дробная часть последнего фазового,п по/1У11И|слаполуциклаРегулируют фазу измерительного наРегулируют фазу опорного напряженияпряжения до получения ближайшего нуле- до получения нулевого значения выпрям-вого значения выпрямленного напряжения

ленного напряжения л,-,«..-

Uy S00exp( - 52) )exp(-|/iw3)cos /53+45 0 , 4lA аА Га л ,

а vҐ + 2ш(г1 Ч-Т2 - .±/Vs ± 1

Ч- 2uXri Ч- га) Ч- /Vi А/32 ± /Уз

( -.УЙВ2)со8(пл- 4- + ттгН), (10)

50оехр(-)с05(П7гЧ-|)0, (6) 50а

где - компенсирующий фазовый сдвиг

где /Уз - компенсирующий фазовый сдвиг в в цепи измерительного наложения. цепи опорного напряжения.Уравнения (6) и (10) представим в виде

Плавно перемещают приемный термо- кс г ,-,, 0 ,. ... ,

преобразователь В по ненагреваемой по- 55 COS + T, 4-T2)+,V - П верхности образца до полученияа

следующего нулевого значения выпрямлен- соз(пл Ч-и) 0,(11)

ного напряжения (62)

cost/ft + 2co(n + Г2) + Лр1 -Дде ± a

Арз ± Api cos(n7r + Tj + rm) 0, (12)

Вычитая из уравнения (12) уравнение (11), получим

- 5) ттг ± Др4.(13)

а По аналогии с выражением (8) имеем

&(5V1 +()2.(14)

Подставляя значение ба из (14) в выражение (13), получим

yftufdVl + (2/2d)2 - 1 тя ± Др4. (15)

Учитывая, что при delta L измеряемое перемещение приемного термопреобразователя значительно меньше толщины материала НО. 1 -0.8) 6 , можно принять, что V1 + ()2 W 1+I2/46 . Тогда выражение (14) примет окончательный вид

/оГ§ пит ± Др4 ,

о

(16) 30

где Др4 - компенсирующий фазовый сдвиг, выраженный в радианах.

Из выражения (16) определяют коэффициент температуропроводности материала

м2/с

(17)

где и Дро &р4 - измеряемое перемещение и компенсирующий фазовый сдвиг:

F частота переменного напряжения.

Частоту переменного напряжения F следует выбирать из условия пренебрежения гармонической составляющей теплообмена, т.е. когда критерий Био

а

V4W-H

«1

(18)

где а-коэффициент теплообмена;

В - коэффициент тепловой активности.

При выбранном значении частоты F из соотношения (18) коэффициент температуропроводности а целесообразно определять по измеренным значениям перемещения 0 и компенсирующему фазовому сдвигу

а {Кт+ДрьЛР м2/С

(19)

Полученное выражение не зависит от

соотношения длины температурной волны L и толщины 5 исследуемого материала, а следовательно, от числа п, т.е. целого числа фазовых полуциклов (температурных полуволн), которое не измеряется существующими фазочувствительными схемами.

Например, коэффициент температуропроводности образца пенополиуретана толщиной 10 мм определяется следующим

образом. Задаваясь коэффициентом Био Bi из выражения (18), находят частоту переменного напряжения ( Гц). Задавая перемещение мм, которое измеряется с помощью многооборотного потенциометрического датчика линейных перемещений, измеряют количество нулей в процессе плавного перемещения и дробную последнего фазового цикла ,8984614, Коэффициент температуропроводности пенополиуретана по формуле (19)

2-10

- з

+

2,8984614

3,14

0,4056-10 °MVc

- 6..2,

5

0

5

0

55

Устройство для определения коэффициента температуропроводности материалов содержит последовательно соединенные генератор 1 электрических колебаний низких частот, усилитель мощности 2 и малоинерционный точечный нагреватель 3, установленный на поверхности исследуемого образца 4 и термоизолированный оболочкой 5. На противоположной ненагреваемой поверхности образца размещены приемный малоинерционный термопреобразователь 6, к выходу которого через гибкий кабель 7 подключены последовательно соединенные усилитель 8 низкой частоты, отсчетный фазовращатель 9 и фазовращательный выпрямитель 10. Управляющий вход фазочувст- вительного выпрямителя соединен с генератором 1 через удвоитель 11 частоты и установочный фазовращатель 12. К выходу фазочувствительного выпрямителя подключен индикатор 13.

Приемный термопреобразователь 6 закреплен на подвижной каретке 14, перемещающейся с помощью микрометрического винта 15. Для измерения величины перемещения термопреобрэзоеателя 6 устройство снабжено измерителем 16, связанным с микрометрическим винтом 15.

Устройство работает следующим образом.

Переменное напряжение выбранной частоты F с генератора 1 через усилитель мощности 2 поступает на малоинерционный точечный нагреватель 3, экранированный термоизолирующей оболочкой 5. Мощность нагревателя 3 пульсирует с частотой, равной удвоенному значению частоты генератора 1 (2F), и возбуждает в исследуемом образце 4 радиальные температурные волны. Приемный малоинерционный термопреобразователь 6 преобразует температуру ненагреваемой поверхности образца 4 в электрическое напряжение, переменная со- ставляющая которого изменяется с частотой принимаемой температурной волны. Усилитель 8 низкой частоты, подключенный через гибкий кабель 7 к приемному термопреобразователю 6, усиливает переменное на- пряжение, которое через отсчетный фазовращатель 9 поступает на сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя 10. На опорный вход фазочувствительного выпрямителя 10 поступает напряже- ние генератора 1 через удвоитель 11 частоты и установочный фазовращатель 12. Показания индикатора 13 пропорциональны выпрямленному значению переменного напряжения с учетом фазовых соотношений измеренного и опорного напряжений, Вначале приемный термопреобразователь 6, закрепленный на каретке 14, вращением микрометрического винта 15 устанавливают противоположно нагревателю 3 по максимальному отклонению индикатора 13, после чего с помощью установочного фазовращателя 12 добиваются нулевого показания индикатора 13. Далее термопреобразователь 6 плавно перемещают вдоль ненагреваемой поверхности образца на расстояние lc(0,1--0,2)/d , которое соответствует ближайшей оцифрованной отметке измерителя линейных перемещений 16.

С помощью отсчетного фазовращателя 9 вновь добиваются нулевого показания индикатора 13. По установленному перемещению о термопреобразователя 6 и значению компенсирующего фазового сдвига &р0 фазовращателя 9 определяют по формуле коэффициент температуропроводности исследуемого материала. Предлагаемый способ измерения коэффициента температуропроводности материалов и реализующее его устройство обеспечивают повышение точности за счет нулевой индикации амплитудного и фазовых соотношений сигналов характеризующих затухание и фазовую задержку температурной волны.

При этом исключается влияние не отроли руемых фазовых сдвигов в цепах измерь тельного и опорного напряжении содержащих инерционные преобразова тельные звенья, за счет постоянства часто ты сравниваемых сигналов. Возникающая неоднозначность фазовых измерений при выборе достаточно высокой частоты темпе- ратуропроводной волны, удовлетворяющей критерию Био, устраняется изменением параметров измерительного сигнала при различном значении длины пути, проходимого радиальной температурной волной. По сравнению с прототипом снято ограничение по условию равенства длины температурной волны толщине образца, что не всегда удовлетворяет критерию Био.

Формула изобретения 1. Способ определения коэффициента температуропроводности материалов, заключающийся в том, что на образец материала воздействуют тепловыми импульсами, создающими радиальные температурные волны в материале, которые возникают при питании малоинерционного нагревателя переменным напряжением заданной частоты, получают информацию о температурных изменениях на противоположной стороне об разца в виде переменного напряжения удвоенной частоты, осуществляют фазочув- ствительное выпрямление переменного напряжения с использованием опорного напряжения удвоенной частоты и вычисля- ют коэффициент температуропроводности по формуле, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, информацию о температурных изменениях на противоположной стороне образца получают сначала в точке, соответствующей максимальному значению переменного напряжения, а затем еще по меньшей мере в двух точках, расположенных одна от другой на расстоянии, не превышающем толщину материала, при этом подсчитывают количество нулевых значений выпрямленного напряжения, компенсируют фазу переменного напряжения до получения ближайшего нулевого значения выпрямленного напряжения, а коэффициент температуропроводности вычисляют по формуле

-&

)2

1Гт + Дро/л:где F - частота переменного напряжения;

m - количество нулевых значений выпрямленного напряжения в процессе перемещения термопреобразовг те/;я

- компенсирующее изменение фазы переменного напряжения;

I - расстояние между двумя точками.

5

рез второй управляющий вход подключен посредством фазовращателя и удвоителя частоты к низкочастотному генератору, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вторым фазовращателем, выход которого соединен с первым сигнальным входом фазочувствительного выпрямителя, а вход - с выходом усилителя низкой частоты, при этом термопреобразователь установлен с возможностью перемещения относительно материала.

13

фиг. 2.