Способ комплексного измерения коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов на образцах в виде пластины Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

( СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОБРАЗЦАХ В ВИДЕ ПЛАСТИНЫ , . Изобретение относится к измерениям теплофизических свойств Т8ер дых материалов и предназначено дЛя использования в практике .теплофизимеских лабораторных исследований при изучении свойств диэлектриков,полупроводников, металлов и сплавов. Известен способ определения коэффициента температуропроводности, заключающийся в том, что лазерный им пульс подают на одну сторону плоского образца и измеряют изменение по времени температуры другой стороны. Для измерения теплоемкости этого же образца используют непрозрачный диск из стеклообразного графита,который приводят в непосредственный тепловой контакт с образцом со сторо ны воздействия лазерным импульсом .11. Недостаток данного способа заключается в том, что теплоемкость и тем пературбпроводность испытуемого образца нельзя измерить одновременно в ходе одного эксперимента, так как наличие непрозрачного диска не позволяет измерить коэффициент температуропроводности. Наиболее близким к изобретению по технической Сущности и достигаемому результату является способ, включающий нагрев световым импульсом образца и измерение температуры его поверхности t21. Недостаток этого способа заклю«:«ается в том, что энергию световогоимпульса, поглощенную на переднем торце образца в ходе эксперимента не измеряют, что приводит к погрешности измерения теплоемкости, достигающей 15. Целью изобретения является повышение точности измерения теплоемкости. Эта цель достигается тем, что согласно способу комплексного измерения коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов на образцах в виде пластины, включающему нагрев световым импульсом образца и измерение температуры его поверхности, на пути светового импульса перед образцом помещают полупрозрачную пластинку с известными свойствами, измеряют максималь ное повышение температуры пластинки и по полученным данным определяют коэффициент температуропроводности и теплоемкость. На чертеже изображена тепловая схема, реализующая данный метод.Све товой импульс 1 подают на образец 2 через полупрозрачную пластинку 3 и при помощи, например, термопар и измepяюt температуру полупрозрачной пластинки и задней поверхности образца. Полупрозрачная пластинка используется для того, чтобы измерить эне гию светового импульса, поглощенную на переднем торЦе образца, которая .известном способе непосредственно не измерялась. Теплоемкость образца рассчитывается по формуле ViT;;-b% r)(fao-Cn-atn)) где дТ - повышение температуры в образце, возникшее в результате действия светового импульса и измеренное после того, как температурное поле в образц выравнивается К1; &Тр| - повышение температуры по лупрозрачной пластинки, возникшее в результате действия светового импул са и измеренное после того, как температурное поле выравнивается К Q0 - энергия светового импуль са Дж., - коэффициент поглощения п лупрозрачной пластинки; t - коэффициент пропускания полупрозрачной пластинки С п - теплоёмкость полупрозрач ной пластинки ДжК }С - теплоемкость испытуемого образца Дж-К у - безразмерный параметр. Параметр jp определяется из опыта с эталонным образцом (с известной теплоемкостью (С), имеющим тот же диаметр и расположенного на том же расстоянии от полупрозрачной пластинки, что и испытуемый образец о(1)-() ,,, где с теплоемкость эталонного образцаповышение температуры в эталонном образце, возникшее в результате действия светового импульса и измеренное после того, как температурное поле в образце выравнивается К. Если учесть многократные отражения а системе полупрозрачная пластинка образец, можно показать, что параметр г на зависит от коэффициента отражения R поверхности образца. Для того, чтобы определить параметр у с минимальной погрешностью, необходимо выбрать эталонный образец с поверхностью, коэффициент отражения которой близок к 1. Коэффициент температуропроводнос- ти определяют по известной формуле «.ьзз, T.s коэффициент температуропроводности испытуемого образца , толщина образца t время достижения половины максимального зна чения температуры задней поверхности образца (см.фиг.Г) fd. По формулам СО и (3) определяют теплоемкость испытуемого образца, и его коэффициент температуропроводности. При определении теплоемкости не нужно знать коэффициент поглощения К поверхности испытуемого образца. Рассмотрим конкретный вариант реализации предложенного способа. Возьмем в качестве испытуемого образца медную цилиндрическую пластинку с радиусом R и толщиной d 10 11 (. Эталонный образец представляет собой медную пластинку с такими же геометрическими размерами, подсеребренной передней поверхностью и теплоемкостью 0,27010,001 ДжК-. В каче5стве полупрозрачной пластинки возьмем пластмассовую пластинку радисом Пп Б-Ю i 10 ми толщиной, dn 0,510 ±10 м, теплоемкостью ,Сп 0,1030 t 0,0007 Дж-К, коэффициентом поглощения | 0,05б± 0,003 и коэффициентом пропускания t 0,430t 0,03. Подадим от лазера, например,типа roC-30i-Световой импульс длительностью 1 мс с энергией е импуль се Q 1,0,501 0,005 Дж на этало«ный образец через полупрозрачную пластинку, расположенную параллельно торцовой поверхности бразца и отстоящую от нее на расстоянии 0,510 м. После того, как температурные поля в пластинке и в эталонном образце выравняются, измеряем подъем температуры в них. При измерении получаем дТ 0,1«tO,OV К и.дТэ 5 0,321 0,01 К. Затем, рассчитывая по формуле (2), коэффи1(иент -jr имеем 2Г 0,651 i 0,061. Заменим эталонный образец исследуемым и после подачи светоёого импульса и измерения температуры получим З,/ 0,01 К и дТп 6,2 +0,01 К. Теперь по формуле (Т рассчитываем значение CMи в резуль тате получим е 1,02010,021 Дж-К таким образом, относительная погреш ность теплоемкости С при ее измере нии предлагаемым способом составит 2.П, В известном же способе 21 расчет ная формула для теплоемкости имеет вид

М

где К - коэффициент поглощения переднего торца испытуемого образца, и, очевидно, что погрешность теплоемкости С в этом способе не меньше, чем погрешность коэффициента поглощения К.

Если использовать в способе 2 эталонные покрытия, то можно показать, что относительная погрешность при определении К а, следовательно, и теплоемкости, составляет 10-15%.,

Необходимо подчеркнуть, что увеличение точности при измерении температуры и энергии светового импульса не позволяет существенно увеличить точность определения теплоемкости по способу 2.

(4) 49

Формула изобретения

Способ комплексного измерения коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов на образцах в виде пластины, включающий нагрев световым импульсом образца и измерение температуры его поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, на пути светового импульса перед образцом помещают полупрозрачную пластинку с известными свойствами, измеряют максимальное повышение температуры пластинки и по полученным данным определяют коэффициент температуропроводности и теплоемкость. 8 то же время из формулы (1) следует, что точность измерения теплоемкости С., определяется только точностью измерения температуры и энергии светового импульса и существенно выше,чем в известном способе t2. Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшить относительную погрешность при определении теплоемкости до 1-2% и дает возможность предварительно не полировать поверхность переднего торца и не использовать эталонные покрытия, что упрощает процесс определения теплоемкости. Расстояние между полупрозрачной пластинкой 2 и передним торцом образца 3, которое составляет примерно 0,05-0,1 диаметра полупрозрачной пластинки, выбирается таким для того, чтобы потери световой энергии через зазор между полупрозрачной пластин- , кой и образцом составляли не более l полной энергии светового .импульса. Более значительные потери энергии светового импульса через указанный зазор приводят к существенному снижению точности, при определении теплоемкости предложенным способом. Коэффициент температуропроводности рассчитывается по формуле (3) с той же точностью, что и в известном спо собе 12. Предлагаемый способ можно использовать при изучении теплофизических свойств диэлектриков, полупроводников , металлов и сплавов, а также при создании промышленных теплофизических приборов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Y. Takahashi, М. ffurabayashi, Mesurement of Thermal Properties of 5 №clear Material by Lazer Flash T thord. 3 of NucI Science and Technology 1975, 12.03 p.p. Ш-Щ, 2. Парцхаладзе К.Г. Сб,. Исследования в области тепловых измерений. Изд-во Стандартов, M., 1971, c.c. 35-37 (прототип).

9f Ж J

xz

.

.

r.

J , 2

-fi