Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов Советский патент 1981 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к исследова нию физических свойств веществ, а именнс к измерениям тепло изических свойств, и может быть исп -льзовано в теплофизическом приборостроении. Известен способ измерения теплофизических свойств материалов, по ко торому теплопроводность определяют путем измерения момента времени, COO ветотвующего достижению максимума те пературы поверхности тела на некотором расстоянии от точечного нагревателя, на который подается кратковременный тепловой импульс. Нагреватель располагается между исследуемым телом и эталоном в виде резиновой плас тины. Для получения значения теплопроводности необходимо предварительно получить градуировочную кривую зависимости времени максимума темпер туры от теплопроводности на наборе этсшонных материалов 1. Недостатками этого способа являются невозможность измерения темпера туропроводнрсти, большое время подготовки к измерению, требуемое для выравнивания температурного поля в исследуемом материале и эталоне, необходимость градуировки по набору эталонов,. Наиболее близким к предлагаемому является способ комплексного измерения теплопроводности и температуропроводности, основанный на создании постоянного теплового потока через- круг на поверхности полуограниченного тела и измерении температуры в центре круга в кратные моменты времени с последующим вычислением значений измеряемых параметров по заранее протабулированным кривым. Постоянный прток создается лампой накаливания, а температура измеряется прижимаемой к телу термопарой 2. Однако при нагреве лучистым потоком необходимо знать степень черноты поверхности исследуемого тела, что представляет собой сложную техническую задачу. При этом чернение поверхности специальными смесями может из менить тепловые свойства материала. Кроме того, термопара попадает в зону действия теплового потока, что затрудняет измерение температуры. Цель изобретения - повышение точности измерений без разрушения ис(зледуемого материала. Поставленная цель достигается тем, что в течение опыта в области контакта зонда-с поверхностью материала

поддерживается постоянная температура, отличающаяся от начальной температуры .материала.

Способ осуществляется следующим образом.

На плоский участок .исследуемого материала устанавливается зонд, создающий в круговом пятне контактной поверхности постоянную температуру, которая может превышать начальную температуру материала на 10-20 К Зонд позволяет измерять температуру на поверхности и тепловой поток, входящий в поверхность. Такой зонд может выполняться на разных принципах, например, с использованием плоских, контактных тепломеров или энтальпийных тепломеров. Температура поверхности измеряется термопарой или термометром сопротивления,

В течение опыта в определенные моменты времени измеряют;ся тепловой поток, поступающий из зонда в материал, и температура контактной поверхности.

Формулы для вычисления теплопроводности и температуропроводности получаются из решения нестационарного уравнения теплопроводности для полуограниченного тела с постоянной температурой в круговой области поверхности. При этом, если принять начальную температуру тела равной нулю (приняв ее за начало отсчета), для потока тепла через центр круга q, (Fg ) справедливо выражение

Р/ -1 il

-1

r.r-1-eri ЪТРо/|

де т.

-температура, поддерживаемая в круговой области контакта зонда и исследуечого материала;

-радиус области контакRта;

-коэффициент теплопроводности;

-коэффициент температуропроводности ;

время от начала опыта;

р -a/g .1

безразмерный критерий

Фурье;

erfc(x) - функция ошибок. Начиная с некоторого момента времени (зависящего от температуропроводности материала) поток в области контакта перестает изменяться

ITf, %тац R

Измеряя значения дц-И величину поддерживаемой температуры Т можно определить Я материала. Отношение

a.ilUp

г стаи, представляет собой универсаль ную функцию от критерия FQ . Зная величину cj,crau.n измеряя в определенные моменты времени тепловой поток q,(t, можно определить значения Fg,для моментов замера потока , а значит и вычислить температуропроводность по формуле

Значения времени, начиная с которых соотношение выполняется с точностью- 1% для разных значений температуропроводности исследуемого материала и радиусов R области нагрева приведены в таблице..

Из таблицы видно, что варьируя радиус зонда можно регулировать время измерения в широких пределах. В предлагаемом способе тепловой процесс протекает на два порядка быстрее по сравнению с режимом в известном способе, что снижает погрешность, связанную с возникновением неравномерности температурного поля изделия из-за теплообмена с окружающей средой. Минимальные размеры исследуемого тела определяются глубиной проникновения температурного поля за время измерения. Оценки показывают, что температурное возмущение за время опыта проникает за глубину порядка 2R, где R - радиус зонда. Используя зонды с размерами, приведенными, в таблице, можно измерять теплофизические характеристики малогабаритных изделий и тонких листов.

Область применения предлагаемого способа определяется величиной контактного сопротивления между зондом и исследуемым материалом. Оценки показывают, что при типичных значения 10 м%/Вт влиянием контактного сопротивления можно пренебрегать до значений Х 5 Вт/м-К. Использование жидких металлических смазок типа эвтектики3„-Са может позволить существенно расширить диапазон измеряемых X в область больших значений теплопроводности.

Предлагаемй способ измерения теплофизических свойств материалов и изделий без разрушения исследуемого материала путем создания постоянной температуры в пятне контакта зонда с поверхностью прост в реализации, имеет более широкие границы применения. При этом уменьшение времени измерения приводит к повышению производительности и точности. На основе предлагаемого способа разрабатывается промышленный прибор для неразрушающего контроля комплек са теплофизическ1 х свойств : теплопроводности , температуропроводности и объемной теплоемкос; -и материалов теплопроводностью Я (0,1-5) Вт/м-К Создание предлагаемого способа неразрушающего контроля тепловых свойств материалов и изделий несет большой экономический эффект и способствует повышению качества издели Такой способ позволяет вести выборочный контроль свойств выпускаемых материалов, а в отдельных случаях и контроля каждого изделия. Величин экономического эффекта отределяется стоимостью выпускаемых изделий и материалов. Формула изобретения Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов изделий с плоским участком поверхности и размерами тела, превышающими характерную глубину проникновения температурного поля за врему, из рения, заключающийся в том, что зонд с круговой контактной поверхностью радиусом 1-5 1M накладывают на плоский участок поверхности исследуемого материала и измеряют в определенные моменты времени величину теплового потока, поступающего в ма-. териал из зонда, температуру в центре контактной поверхности зонда с последующим расчетом теплопроводности и температуропроводности по известным соотношениям, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений без разрушения исследуемого материала, в процессе измерений в области контакта зонда с поверхностью материала поддерживают постоянную температуру, отличающуюся от начальной температуры материала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Рыбаков В.И. и др. Прибор с точечным нагревателем для определения коэффициента теплопроводности изотропных материалов. Труды НИИ Мосстроя. Вып. б, 1969, с.253-256. 2.Авторское свидетельство СССР № 458753, кл. G 01 М 25/18, 1975 (прототип).