Способ определения теплофизических характеристик материалов Советский патент 1975 года по МПК G01N25/18 

1

Изобретение относится к определению теплофизических характеристик (коэффициентов теплопроводности, температуропроводности удельной теплоёмкости) преимущественно неметаллических материалов.

Применительно к плоской форме образцов известен способ, по которому производят нагрев пакета, состоящего из четырех идентичных образцов, центрального и двух поверхностных нагревателей; при этом на центральный нагреватель подают постоянную мощность, а температуру поверхностных нагревателей изменяют с ностоянной скоростью.

Температуру образцов измеряют в трех точках: в центре пакета (у центрального нагревателя), у поверхностного нагревателя и между образцами. По этим измерениям вычисляют комплекс теплофизических характеристик. В такой схеме могут возникнуть обычные при теплофизических измерениях систематические погрешности, в частности, связанные с неидентичностью термо-э.д.с. или с логрешностями градуировки термопар. Учесть эти погрешности расчетным путем затруднительно.

Цель изобретения - повышение точности и достоверности экспериментальных данных, в частности, за счет сведения к минимуму указанных выше погрешностей.

Определение теплофизических характеристик материалов осуществляют на симметричном пакете из 2-х образцов, путем нагрева их центральным и поверхностным нагревателями и измерения темнератур в заданных точках образца.

По предлагаемому способу при постоянной мощности тепловыделения центрального нагревателя чередуют два режима нагрева- при поддержании температуры наружных поверхностей образцов равной температуре центра пакета и температуре на половине толщины образца. Затем сопоставляют результаты, полученные при указанных режимах, например, перепады температур, и по

ним судят о достоверности эксперимента, s

при наличии, систематических погрешностей

производят исключение их расчетным путем.

Измерение температур осуществляют Б

3-х точках пакета: у центрального и поверхностных нагревателей и на половине толщины образца.

Проведение двух чередующихся режимог нагрева на одном и том же пакете без егг разборки позволяет по получаемым в опытах

величинам (перепады температур и скорасти нагрева) произвести независимые вычисления всех теплофизических характеристик.

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что сопоставление перепадов температур и скоростей нагрева, измерснных при Д1;ух режимах иагрева позволяет исключить ряд систематических погрешностей измерений. При этом используется то обстоятельство, что теоретическое отношение перенадов температур и скоростей нагревов в двух режимах постоянно (конкретные значения зависят от формы образцов).

Предлагаемый способ и один из вариантов его реализации (применительно к плоской форме образцов) иллюстрируется чертежом.

Собирают пакет, состояший из двух идентичных образцов I ТОЛШ.ИНОЙ 10-12 мм и трех малоиперционных нагревателей 2, 3, выполненных из констаитановой фольги, толщиной 10 .мм. Пзмерение температур осуществляют посредством медь-константановых термопар 4, 5, 6; 4, 5, 6 толщиной 0,1 мм. Для заделки термопар на поверхностях образца делают прорези, корольки спаев располагают в центральной части накета. Для заделки термопар 5 и 5, предназначенных для измерения температуры на половине толщины образца, делают сверления. Для упрощения сборки образец можно делать разъемным, в этом случае пакет будет состоять из четырех идентичных образцов толщиной 5-6 мм. Регулирующие термопары (на чертеже не показаны) заделывают вблизи измерительных.

Измерительные термопары выводят на самописец. Поверхности пакета тщательно изолируют. Собранный пакет помещают в струбцину, обеспечивающую постоянное поджатие. При работе в отрицательном температурном диапазоне собранный пакет помещают в вакуумную камеру. На центральный нагреватель подают постоянную мощность. Мощность, подаваемая на нагреватели, расположенные на поверХНостях, зависит от осуществления граничных условий: темлература поверхностей поддерживается равной температуре центра или температуре на половине толщины образца. Для поддержания равенства температур в обоих случаях применяют одну и ту же систему автоматического регулирования.

Эксперимент можно проводить двояким путем: последовательно проводить два опыта с постоянными граничными условиями или чередовать регулирование мощности поверхностных нагревателей в течение одного опыта. Измерения температур проводят после установления квазистационарного тенлового режима. В первом случае замеры начинают с момента времени, когда FO 0,5 (Fo - критерий Фурье) после включения нагревателей, во втором - с момента времени, когда ,5 после переключения мощностей поверхностных нагревателей. При использовании плоских образцов вычисления проводят по формулам:

Х

sr. 2Д/1

2Д;,

/с

С-

i/.p.

- при поддержании температуры на поверхностях, равной температуре в центре пакета;

,2 Qd . „РэГг .

а

Мг

э-с

gel 2

с 1 э(

- при поддержании температуры на поверхпостях, равной температуре на половине толщины образца.

Здесь л, а - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности,

с - удельная теплоемкость, с - мощность, выделяемая на центральном нагревателе,

р; - плотность исследуемого материала, А/1 и - перепады температур между температурами на поверхностях (центре) пакета и половине толщины образца и между температурой в центре пакета и температурой на половине толщины образца соответственно,

зТэТ

И -скорости нагрева двух ре жимов нагрева.

Из сопоставления двух групп формул видно, что теоретическое отношение перепадов температур в двух режимах при отсутствии

погрешностей равно / 4/3, аналогично.

Дг

соотношение скоростей нагрева

эГ,

эГ, эт

Совпадение отношений теоретических значений перепадов температур или €коростей нагрева с экспериментальными свидетельствует об отсутствии погрешностей.

При наличии погрешности, вызванной градуировкой термопар или невыявленным различием их термо-ЭДС, измеренные перепады будут равны:

.1 - Д нстЛ-гЗ , .2 .2+ 8 + 0(8) ,

где .1, .2, .ь А/НСТ.2- измеренные и истинные перепады температур,

б - погрешность, вызванная градуировкой термопар или невыявленным различием их термо-ЭДС, 0(6)-величина, малая по сравнению с 8.

Совместное решение двух последних уравнений с учетом- - : позволяет найти б

ДГист. I3

и тем самым исключить систематическую погрешность при определении теплофнзических характеристик по расчетным зависимостям. Исключение погрешности б особенно важно нри проведении экспериментов смалыми А (порядка нескольких градусов), так как по мере уменьшения перепадов А „ст вклад величины б в А „зи становится все более значительным. Уменьшение же перепадов желательно для сведения к мшшмуму погрешностей, обусловленных зависимостью измеряемых теплофизических свойств от темлературы.

Дополнительным средством контроля является сопоставление скоростей нагрева.

Предлагаемый способ может быть реализован также при цилиндрической и шаровой форме образцов.

П |) е л м с 1 и j о о |1 с т с и и я Способ определения теплофизических характеристик материалов, путем нагрева пакета из двух образцов, центральным и поверхностным нагревателями и измерения температур в заданных точках образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения систематических погрешностей, задают постоянную мощность

тепловыделения центрального нагревателя и чередуют два режима нагрева - при поддержании температуры наружных поверхностей образцов равной температуре центра пакета и температуре на половине толщины образца, а затем сопоставляют результаты, полученные при указанных режимах, например, перепады температур, и по ним судят о достоверности эксперимента, а при наличии систематических погрешностей производят исключение их расчетным путем.

5