Способ определения теплофизических характеристик материалов Советский патент 1980 года по МПК G01N25/18 

f

Изобретение относится к области тепловых испытаний и может быть использовано при комплексном определении теплофизических характеристик электропроводных материалов и диэлектриков , в основном при высоких температурах (1200-3QOO°K).

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов состоящий в воздействии на поверхность образца кратковременным тепловым потоком и регистрации изменения температуры на некотором удалении от этой поверхности, а также подводимой мощности l .

Разрешающая способность этого . способа ограничена - он требует значительных изменений температуры на поверхности образца. Указанное обстоятельство ограничивает, в частности, применение этого способа при вы.соких температурах исследования.

Более совершенным в отмеченном смысле является способ определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в воздействии на поверхность образца в виде диска или пластины периодически изменяющимся тепловым потоком, регистрации фазового сдвига и амплитуды температурных колебаний 2 .

Недостатком способа является ограничение точности вследствие внесения погрешности при определении мощности, вводимой в образец.

Целью предложения является повышение точности способа - прототипа.

Цель достигается тем, что одновре10менно с исследуемым образцом подвергается идентичному воздействию эталонный образец той же конфигурации, а фазовый сдвиг температурных колебаний регистрируют между поверхнос15тями образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию теплового потока, и искомые характеристики вычисляются по формулс1м:

UJCfl

20

(1)

(/ aHl lA-P; Яэ 4 лТ, 6

YC,

(2)

Г-Г i..--.--Sp cf дт е

25

Здесь обозначения без индекса относятся к исследуемому образцу, а с индексом э - к эталонному, &, с, р коэффициент температуропроводности, удельная теплоемкость образца

30 и плотность материала образца, сР - толщина образца - фазовый сдвиг, Ш - угловая частота, дТ амплитуда колебаний температуры ., )-) .., /, ° коэффициент, учитывающий неидентичность теплоотдачи с поверхностей образцов, Bi, Fo - критерии Био и Фурье, сЛ - коэффициент теплоотдачи, - степень черноты, R - радиус образца. Расчетные уравнения (1), (2) получаются на основании дифференциаль ных уравнений тепловых балансов для образцов, включающих воздействующее на образец количество тепла, ак кумулированную, отдаваемую в среду и отраженную его составляющие. При этом используются условия идентичности тепловых воздействий на иссле дуемый и эталонный образец, а также условия , Bi, (3) ; Структурная схема предл агаемого устройства приведена, на фиг. 1. Устройство состоит из следующих основных узлов: испытательной камеры 1, источника 2 модулированного теплового потока, эталонного 3 и исследуемо.го 4 образцов, фотоприемников 5, 6 и 7, регистрирующих (см. фиг.1) как колебания температуры на поверхностях образцов 3 и 4, про тивоположных поверхности воздействия теплового потока (соответственн фотоприемники 5 и 6 , так и колебания теплового потока.(фотоприемник 7), идентичных каналов 8, 9, 10 уси ления и многоканального быстродейст вующего регистрирующего прибора 11 Кроме того, устройство включает в , свой состав приборы для определения опорных значений температуры (на структурной схеме не показаны) эталонного 3 и исследуемого 4 образцов При определении теплофиз.ических характеристик с помощью источника . модулированного теплового потока обеспечивают идентичный нагрев эталонного 3 и исследуемого 4 образцов установленных в испытательной камере 1. По истечении некоторого време ни в исследуемом 3 и эталонном 4 о разцах реализуют режим плоских температурных волн, что обеспечиваетс использованием образцов 3 и 4 в вид пластин малой толщины. Колебания температуры на поверхностях образц 3 и 4, противополозкных поверхности воздействия теплового потока, а т.а же колебания самого теплового пото piёгиcтpиpy 0тcя С помощью фотоприем ников (соответственно 5, б и ). Сигналы на выходе фотоприемников 5/ 6 и 7 усиливаются с помощью идентичных каналов усиления .8, 9 и 10 и фиксируются с помощью многоканального быстродействующего регистрирующего прибора 11 (см.фиг.1). Наличие фотоприемника 7 и канала 8 усиления обеспечивает возможность контроля за температуропроводностью материала эталонного образца 3 в ходе проведения эксперимента. Опорные значения температуры эталонного 3 и исследуемого -4 образцов определяют с помощью приборов для определения опорных значений температуры (наструктурной схеме не показаны), например, с помощью оптических пирометров, предварительно отградуированных на образцовой температурной лампе с учетом поглощения света в окнах испытательной камеры 1. Проверку каналов 8, 9 и 10 усиления на идентичност ь производят . по источнику излучения, в качестве которого может быть использована, .например, обычная лампа накаливания. Поскольку для определения удельной теплоемкости исследуемого материала необходимо знание температурной зависимости и абсолютных значений степени черноты, на исследуемый образец 4 наносят пленочное покрытие из материала с известной степенью черноты. Аналогичное покрытие может быть нанесено и на эталонный образец 3. Следует отметить, что с ростом опорных значений температуры точность предлагаемого способа возрастает, так как пропорционально температуре растет сигнал излучения, регистрируемый фотоприемниками 5, 6 и 7. Способ реализуем как в вакууме, дбеспечивающем условия теплоизоляции образцом 3 и 4, так и в инертной среде. Способ в соответствии с изобретением выгодно отличается от прототипа тем, что в. нем исключена необходимость измерения значений мощности подводимого теплового потока и абсолютных значений амплитуды колебаний температур в области малых регистрируемых параметров. Эти отличия обеспечивают повьпиение точности. Кроме того, поскольку коэффициент Y в формуле (2), учитывающий неидентичность теплоотдачи в среду с поверхностей Образцову по сути дела представляет собой разность малых критериев Био для образцов из эталонного и исследуемого материалов, то при выполнении условий (3) и (4) и наличии достоверных данных о степени черноты материалов предлагаемый способ обеспечивает достижение точности в определении теплофизических характеристик исследуемых материалов, сопоставимой с эталоном. Формула изобретения . Способ определения теплофизических характеристик материаЛой, состо ящий в воздействии на поверхность образца в виде диска или пластины периодически изменяющимся тепловым потоком, регистрации фазового сдвига и амплитуды температурных колебаний, отличающийся тем .что, с целью повышения точности, одновременно с исследуемым образцом подвергается идентичному тепловому воздействию эталонный образец той же конфигурации, а фазовый сдвиг температурных колебаний регистрирую между поверхностями образцов, противолежащих поверхностям, подвергаю щимся воздействию теплового потока и искомые характеристики вычисляются по формулам v .414 А лт е Y-c, 3 р/ (f ДТ , обозначения без индекса относя ся к исследуемому образцу, а с индексом э - к эталонному, а, с, J) - коэффициент температу ропроводности, удельная теплоемкость, плотность материала об-, разца, сР - толщина образца; ДЧ Чэ-«р. фазовый сдвиг, Ш угловая частота колебаний температуры ; ДТ - амплитуда колебаний температурыЛ)./) у,йГ ( К /сЛэЦ Р / Я cf : ..- коэффициент, учитывающий неидентйчность теплоотдачи с поверхностей образцов; Bi, Fo критерии Био и Фурье) Л - коэффициент теплоот;1ачи;, с - степень черноты/ R - радиус образца (R R:,). Источники информации ятые во внимание при экспертизе . Дмитрович А.Д. Определение офизических свойств строительных риалов. М., Госстройиздат, 1963, 2-74.. . Краев О.А., Стельмах А.А. Сб. ледования при высоких температу, Новосибирск, СО АН СССР, Нау1966, с. 55-73.