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

Изобретение относится к измерению теплофизических характеристик (теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности) материалов и может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства, где требуется комплексное определение теплофизических характеристик реальных объектов без их разрушения.

Известен способ для определения теп- лофизической характеристики-теплопроводности материалов и объектов без их разрушения. Способ включает одностороннее двухточечное тепловое зондирование поверхности образца с помощью двух стержнеобразных зондов, измерение разности температур между збндами и разности температур на неконтактирующих с образцом концах зонда с последующим определением теплопроводности по градуировочной зависимости.

Недостатком известного способа является невозможность получения данных по температуропроводности материала.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ определения теплофизических характеристик (теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности) материалов и

XI

со

00 О

ю

00

объектов без их разрушения, состоящий в разогреве системы полубесконечных в тепловом отношении эталонного и исследуемого образцов круговым нагревателем с постоянной электрической мощностью и измерении перегрева центра нагревателя относительно начальной температуры,

Недостатком указанного способа является большое время получения результата (значений теплофизических характеристик). Это связано с тем, что в системе термозонд-исследуемое тело перед началом опыта требуется обеспечить равномерное температурное поле. Указанное обстоятельство приводит к тому, что время, необходимое для выравнивания температур системы термозонд-исследуемое тело, может превышать длительность самого эксперимента в 5-10 раз в случаях, когда тер- м озонд и исследуемый материал имеют разные начальные температуры.

Цель изобретения-уменьшение времени определения теплофизических характеристик за счет исключения необходимости полного выравнивания температур исследуемого и эталонного образцов.

Указанная цель достигается тем. что согласно способу определения теплофизических характеристик материалов, включающему установку измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал, разогрев системы измерительный зонд - исследуемый образец круговым нагревателем с постоянной электрической мощностью и регистрацию временной зависимости перегрева центра нагревателя относительно начальной температуры с последующим расчетом искомых величин по формулам, перед включением нагревателя дополнительно проводят регистрацию временной зависимости скорости изменения1 перепада температуры по высоте эталонного образца.

Определение теплофизических характеристик основано на закономерности развития двухмерного температурного поля в двух полуограниченных телах с различными тепловыми свойствами, находящихся в идеальном контакте с тонким круговым источником теплоты постоянной мощности.

Избыточная температура AT (г) (перегрев относительно начальной температуры) центра кругового источника теплоты определяется выражением:

AT (г)

ш 20JoVF ( 11,01.

W

bx + Ьэ

-Tr nrlerfc7

bx + Ьэ2

где fflb - удельная мощность источника теплоты;

г- время;

ах,аэ,Ьх,Ьэ -температуропроводность и

тепловая активность исследуемого и эталонного материала;

г0 - радиус источника теплоты;

lerfc x - кратный интеграл вероятности.

Выражение (1) получено в предложении, что в системе из эталонного тела с круговым нагревателем, входящим в состав измерительного зонда, и исследуемого тела перед началом эксперимента требуется обеспечить равномерное температурное

поле. Однако в реальных условиях указанное требование сразу после установки измерительного зонда на исследуемый материал в большинстве случаев не может быть выполнено, так как зонд и образец

имеют различные температуры. Поэтому необходимо определенное время для выравнивания температур исследуемого и эталонного образцов. Как показывают экспериментальные исследования, процесс

выравнивания температур может занимать более 40-50 мин, что на порядок больше времени ведения эксперимента.

Для уменьшения времени, обусловленного процессом выравнивания температур

эталонного и исследуемого образцов, дополнительно перед проведением эксперимента регистрируется временная зависимость f(r) скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образца.

Полученные точки временной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образца аппроксимируются дробно-рациональной

функцией вида

tw- aaiz +a2Tn 1...+...+an + i biz +b2Tk 1 +...+ bk + i

(2)

где .

Коэффициенты ai, bi выражения (2) pac- считываются методом наименьших квадратов.

Затем, не дожидаясь полного завершения выравнивания температур эталонного и исследуемого образцов, начинают про- водить эксперимент (включают нагреватель).

С учетом влияния незаконченного процесса выравнивая температуры формулы для определения теплофизических характеристик имеют вид:

для тепловой активности

.2( h ™

Ьх , (J;

(АТ(г)-АТн -/f(r)dr)-v5r

ть

где т-текущее время эксперимента, отсчитываемое от момента включения нагревателя; гп - полное время; гп т + ти + Т0, тв Ти 4- т0, где ги - время, в течение которого регистрировался ход временной зависимости скорости изменения перелада температуры по высоте эталонного образца; То - время, затраченное на обработку (аппроксимацию) указанной выше временной зависимости; АТн - перепад температуры по высоте эталонного образца перед включением нагревателя;

для температуропроводности:

ах г02/ 4тПегтс 1Х) 1 | Ьэ + Ьх

Х 7л

Гп

(Ьх + Ьэ)2 (ЛТ (г) - ДТ„ - / f (г) dr) ,

ГЬ

Vr

-balerfc-r-f,

2 Va3rj

„-1л

(4)

где lerfc Х-обратная функция, определяющая аргумент х по известному значению функции X lerfcfx);

-для теплопроводности

Як bx YaT(5)

Для осуществления способа может быть использовано устройство, структурная схема которого изображена на чьртеже.

Схема включав- измерительный зонд 3 с эталонным образцом 2, нагревателем 1, дифференциальной термопарой 4 и термопарой для измерения абсолютной температуры 5, усилители б и 7 термоЭДС тер1 мопар, управляемый источник тока нагревателя 8, дифференциатор9, коммутатор 10, аналого- цифровой преобразователь 11, оперативный запоминающий блок 12, постоянный запоминающий блок 13, блок сопряжения 14, процессор 15, блок индикации 16, клави- атуру 17, таймер 18.

Устройство работает следующим образом.

Измерительный зонд устанавливается на исследуемый материал, оператор вводит с клавиатуры 17 в оперативный запоминающий блок 12 исходные данные (радиус нагревателя, его сопротивление, значения температуропроводности и тепловой активности эталонного образца). Затем устройст

5

Ю15

20

25

30

35

40. 45 50

55 во переводится в режим регистрации временной зависимости скорости изменения перепада температур по высоте эталонного образца. Для этого через определенный промежуток времени снимаются показания дифференциальной термопары 4 и после усиления, дифференцирования и преобразования в цифровую форму заносятся в оперативный блок 12. Снятие точек термограммы продолжается в течение времени ги. Затем снятие точек прекращается и процессор 15, выполняя программу, хранящуюся в постоянном запоминающем блоке 13, аппроксимирует экспериментальные данные с помощью выражения (1). Полученные значения коэффициентов ai и bj заносят в оперативный запоминающийся блок 12. Для расчета указанных коэффициентов таймер 18 задает заведомо достаточный интервал времени. Затем включается нагреватель и начинает проводиться эксперимент по определению теплофизических характеристик. Сигнал от дифференциальной термопары 4 усиливается с помощью усилителя б и через коммутатор 10 подается на аналого-цифровой преобразователь 11. Преобразованное в цифровую форму значение, соответствующее температуре центра нагревателя, заносится в оперативный запоминающий блок 12 через блок сопряжения 14.

После сбора данных искомые теплофи- зическис характеристик рассчитываются по формулам (3-5) и выводятся на блок индикации 16.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет сократить время, необходимое для выравнивания температур эталонного и исследуемого образцов, за счет регистрации скорости изменения во времени перепад температуры по высоте эталонного образца перед проведением .теплового эксперимента. Это позволяет не дожидаться полного выравнивания температур в рассматриваемой тепловой системе и начинать эксперимент по определению теплофизических характеристик раньше и, следовательно,уменьшить время определения теплофизических характеристик.

При практической реализации способа создана лабораторная экспериментальная установка. Проверка работоспособности способа проводилась п/тем сравнения результатов измерений теплофизических характеристик стандартных образцов (стекло KB, ТФ-1, оргстекло, пенополистирол ПС1- 100) при практически полном выравнивании температур (скорость изменения перепада температуры по высоте эталонного образца мзнее 0,1 К/мин) и с использойанием предлагаемого способа. Это позволило определить реальные значения величин в формулах (2)-(4). При Дг 1 мин, ги - 5 мин, г0 2 с и скорости изменения перепада температуры к моменту включения нагре- вателя порядка 0,1-0,15 К/мин при сохранении точности определения тепло- физических характеристик использование предлагаемого способа уменьшило время получения результата в,2-3 раза.

Формула изобретения Способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий установку измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал, разогрев системы измерительный зонд - исследуемый образец круговым нагревателем с постоянной электрической мощностью и регистрацию временной зависимости перегрева центра нагревателя относительно начальной температуры с последующим расчетом искомых величин по формулам, отличающийся тем, что, с целью

уменьшения времени определения тепло- Физических характеристик за счет исключения необходимости полного выравнивания температур исследуемого и эталонного образцов, перед включением нагревателя дополнительно проводят регистрацию временной зависимости г) скорости изменения перепада температур по высоте эталонного образца, а при определении

искомых характеристик учитывают влияние незаконченного процесса выравнивания температуры через

lV)d(z),

где г- текущее время эксперимента, отсчитываемое с момента включения нагревателя:

тп - полное время, равное г + Г0 + г0; ги - время, в течение которого регистрировалась f(r);

TO - время, затраченное на обработку f(D:

ТЬ Ти + Го.

Изобретение относится к измерению теплофизических характеристик (ТФХ) и может быть испрльзовано при комплексном изучении ТФХ материалов с теплопроводностью 0,1-5 Вт/(м К), а также для определения или контроля ТФХ реальных объектов без их разрушения После установки измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал проводится регистрация временной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образца, затем система измерительный зонд - исследуемый образец разогревается круговым нагревателем с постоянной электрической мощностью и регистрируется временная зависимость перегрева центра нагревателя относительно начальной температуры. Способ позволяет сократить время, необходимое для выравнивания температур эталонного и исследуемого образцов, за счет регистрации временной зависимости скорости изменения перепада температуры псГвыс оте эталонного образца перед проведением эксперимента по определению ТФХ. Это дает возможность, не дожидаясь полного выравнивания температур в рассматриваемой тепловой системе, начинать эксперимент по определению ТФХ. Следовательно, уменьшается время определения ТФХ. 1 ил. сл с