Компенсационный способ определения истинного коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов Советский патент 1974 года по МПК G01N25/18 

I

Способ касается теплофизических измерений твердых частично прозрачных материалов (стекол, керамики, окислов, солей и т. д.) при высоких температурах, когда температурное поле внутри материала формируется одновременно двумя процессами переноса энергии: переносом излучения и переносом тепла путем теплопроводности.

Известен способ экспериментального определения истинного коэффициента теплопроводности твердых частично прозрачных материалов при высоких температурах, в котором определяют тепловой поток, проходящий через образец, а также с помощью термопар- разность температур на поверхностях образца и абсолютную температуру у «горячей поверхности образца. Поверхности образца либо шлифуют мелким абразивом, либо покрывают термостойким черным покрытием. Погрешности определения истинного коэффициента теплопроводности указанным способом были обусловлены, главным образом, неточностью в определении абсолютного значения теплового потока, ошибками измерения температуры с помощью термопар (из-за плохого контакта термопары с исследуемым образцом и из-за лучистого теплообмена неизотермических участков образца с термопарой) и отличием излучения граничных поверхностей от излучения черного тела.

Цель предлагаемого способа - повысить точность измерений.

Это достигается тем, что тепловые потоки, проходящие через каждый из образцов, уравнивают, регулируют и измеряют при этом температуру нагревателя, после чего определяют искомую величину (1) из выражения:

..+j j.;,..,Q.

- (-)(4)

где q - величина теплового потока;

h - толщина образца; /V-интенсивность теплового излучения; Т - температура; 2 - телесный угол от О до 4.

В способе, согласно изобретению, реализуют стационарный метод плоского слоя с использованием двух образцов различной толщины. Опыт с каждым образцом проводят отдельно. (Возможно также одновременное проведение эксперимента. В этом случае для нагрева каждого образца используют свой нагреватель.) Нагреватель изготавливают из плоской металлической ленты с известными оптическими свойствами (платина или вольфрам и устанавливают параллельно поверхности образца.

Увеличение точности получают за счет исключения процесса измерения абсолютного значения теплового потока. Опыт проводят следующим образом. Один из исследуемых образцов некоторой толщины размещается между нагревателем и холодной моделью черного тела . При фиксированной температуре нагревате-ля-в-ттацио-нарном состоянии устанавливается определенный тепловой поток, проходящий от нагревателя через образец. Затем для образца другой толщины, помещенного в идентичные с первым условия, регулируют температуру нагревателя таким образом, чтобы тепловой поток был равен первоначальному. При этом толщина образцов выбирается так, чтобы средние темнературы в обоих опытах были достаточно близкими. Для сравнения лучистых потоков можно использовать приемники излучения с конечным углом визирования либо калориметры. Кроме того, сравнение можно проводить по электрическим параметрам нагревателя. Рассмотрим расчетную схему, которая может быть использована для вычисления истинного коэффициента теплопроводности. Уравления лучисто-кондуктивного переноса в плоском слое поглощающей нерассеивающей среды толщиной 2 h с известными оптическим-и свойствами, при условии нагрева образца изотермичным радиационным нагревателем с известной температурой и оптическими свойствами, с учетом излучения образца в направлении холодной модели черного тела (ось «х совпадает с направлением теплового потока), следующие: cos 0 - /Д., + пГ-К. (1) Г./-cosef v.Q (2) dxdx J J где /, -интенсивность излучения (функция «X ив);в - угол, отсчитываемый от положительного направления оси х; Kv -коэффициент поглощения; п., - коэффициент преломления; К - истинный коэффициент теплопроводности;Т - температура; О -телесный угол от О до 4 я. Индексы: v -указывает на спектральную зависимость; Р - относится к черному телу; величины, не имеющие индекса относятся к образцу. Для упрощения записи в дальнейliieM индекс опускается. :: Для однозначного решения задачи необходимо-з адание: граничныхуслов ий. На левой гр.ан-йЦе:-. - .,:-..:.: -.:. .:;.:..- йТ -h 0 .M1 - (в) . 1 - (в) n f+(fi,Q) , .,(0)/(в) . + /-(fe.9)l-/(e)(e)|.(9 i, (в)(9)+ (li,)K(d), (4) -.где:7 - коэффициент отражения. Индексы: (+) и (-) указывают на то, что интенсивность. ..определяется . для углов - и соответственно; Ь - , относится к нагревателю. Угол 6 связан с углом в законом Снелла. Коэффициент отражения исследуемого образца определяют через его оптические постоянные «« и «/С по формулам Френеля. На правой границе: 0(5) I-(+h,Q) I+(h,Q)R(Q)(6) Уравнения (1-2) с граничными условиями (3-6) определяют интенсивность /v (в), а с ней и полусферический тепловой поток: J/V (/г, 0)-cose.cosdva:Q, () №) как функцию оптических параметров «и, «К, «Ri геометрического параметра «/г, коэффициента теплопроводности К, измеряемого параметра Г В том случае, когда используют приемник излучения с конечным углом визирования, инте.грирование в уравнении (7) производят не по всему полусферичёскому углу 4к а по углу, соответствующему углу визирования. . Для известных параметров «ft, «/( и «Ri, заданной толщины слоя «2 /г и измеренной в опыте температурь «Ti, строят график зависимости в /. (А,), а для образца толщиной «2 /г с температурой «Ti график ., (А,). Найдя точку пересечения указанных графиков, можно определить истинный коэффициент теплопроводности частично прозрачных материалов. При этом за счет исключения процесса измерения абсолютного значения потока энергии точность предложенного способа является более высокой по сравнению с существующими. Предмет изобретения Компенсационный способ определения исинного коэффициента теплопроводности чатично прозрачных материалов в стационарых условиях с иснользованнем двух плоских бразцов различной толщины, которые послеовательно размещают между нагревателем-и; олодильником, . о.тл и ч а ю щи и ся тем,, то, с .целью повышения точности.- измерения., равнивают тепловые потоки, проходящие чеез-каждыйиз этих образцов, .регулируют .и. змеряют при этом температуру нагревателя осле чего определяют искомую величину. (I) з выражения: ; а rr/dv-da А J J )() где q - величина теплового потока, /I-толщина образца, ч -интенсивность теплового излучения, Т - температура, и - телесный угол от О до 4.