Способ измерения теплофизических характеристик и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено для исследования теплофизических характеристик твердых тел.

Известен способ определения теплофизических характеристик в режиме 4oнoтoннoгo разогрева образца, включающий использование двух образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами, прижатых снаружи к поверхностям исследуемого образца 1.

Недостатком способа является необходимость симметрирования нагрева и ограничение точности вследствие погрешности значения теплофизических свойств образцов сравнения.

Устройство для осуществления указанного способа включает в себя рбойму для пакета образцов, блок нагрева, термопары и систему регистрации температурных изменений.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ измерения теплофизических характеристик образца, монотонно разогреваемого через одну из изотермических поверхностей при периодическом изменении теплового потока на другой по-. верхности с периодом, большим времени регуляризации температурного поля образца, включающий измерение теплового потока, температур в xapaicTepных сечениях образца, скорости измерения температуры и расчет характеристик по известным формулам 2J.

Недостатком известного способа является ограниченная точность вследствие того, что условия эксперимента на двух стадиях испытания отличаются от оптимальных.

При реализации известного способа ближайшим техническим решением является устройство для измерения теплофизических характеристик, состоящее из разъемной теплозащитной оболочки, металлического ядра, включающего нагревательный блок, контактирующий с основанием, на котором установлен

20 тепломер, образец и пластинка, окруженные адиабатической оболочкой, две термопары в пластине и термопару в тепломере.

Цель изобретения - повышение точ25ности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения теплофизических характеристик образца, монотонно разогреваемого через одну

30 из изотермических поверхностей при периодическом изменеиии теплового потока на другой поверхности с перио домг большим времени регуляризации температурного поля образца, включаю щем измерение теплового потока, температур в характерных сечениях образ ца, скорости изменения температуры и расчет характеристик по известным формулам, одновременно с монотонным нагревом перепад температур на образ це последовательно устанавливают равным нулю и 5-50 К, а тепловой поток измеряют на изотермической поверхности, подвергаемой монотонному нагреву. Для реализации предлагаемого способа устройство для измерения теплофизических характеристик, состоящее из разъемной теплозащитной оболочки металлического ядра, включающего нагревательный блок, контактирунидий с основанием, на котором установлен тепломер, образец и пластинка, окруженные адиабатической оболочкой две термопары в пластине и термопару в тепломере, В котором дополнительно установлен регулятор, а в пластине установлен нагреватель, термоnapfci пластины и тепломера включены дифференциально и последовательно с задатчиком перепада температуры и регулятором, соединённым с нагревателем пластины. Кроме того, диаметр пластины ра. вен внутреннему диаметру адиабатической оболочки. На фиг. 1 а приведен характер изме нения температур на гранях образца t( ) и ) и в его центральном сечении Ц (t; ) , а такзке тепловых воз действий на одной из граней. Тепловая схема предлагаемого способа изме рений показана на фиг. iff, , где ) и ) - тепловые потоки на гранях образца при нулевом переп&де температур между ними, (T) и qj( С ) - тепловые потоки при перепаде 5-50 К на Образце, 1 - образец 2 и 3 -.контактирующие с образцом опорные поверхности измерительного устройства. После регуляризации температурного поля образца при нулевом перепаде в нем создается симметричное, параболическое распределение температур и измеряются теплоемкость и температуропроводность, при фиксированном перепаде - параболическое близкое к линейному распределению температур и измеряется коэффициент теплогьроводности. Расчетные формулы для определяемых в опыте характеристик следуют и решения задачи теплопроводности для монотонно разогреваемой пластины. Эти формулы без учета поправочных членов и контактного сопротивления имеют вид Ь cf Чг 2(f + 0,5cmb--,-. -s -V--: . где b dt/dT- скорость разогрева образца на соответствующей стадии опыта, 2(f, S, m - толщина и площадь поперечного сечения, масса образца. Способ позволяет осуществить независимые измерения а, Л и ев оптимальных для каждого параметра условиях, а известное соотношение Л аср является проверочным. В условиях строгой симметрии q qz На фиг. 2 изображен общий вид предлагаемого устройства. Устройство содержит разъемную изоляционную оболочку 1, нагревательный блок 2, основание 3, тепломер 4, образец 5, пластину б, градиентный 7 и адиабатический 8 нагреватели, термопары 9 и 10, системы 11 и 13 автоматического регулирования, термопары 12, управляющие работой градиентного нагревателя. Устройство работает следующим образом. На тепломер 4 устанавливают испытуемый образец 5, затем пластину б с градиентным нагревателем 7 и опускают верхнюю часть изоляционной. оболочки 1 вместе с адиабатической оболочкой 8. Равенство диаметров адиабатической оболочки и пластины с нагревателем позволяет обеспечить условия, при которых поправка на теплообмен боковой поверхности образца оказывается малой: потоки от . верхней и нижней контактных поверхностей компенсируют друг . Последовательное задание нулевого перепада и 5-50 К на образце обеспечивает, в первом случае, оптимальные условия по точности для теплоемкости и температуропроводности, а, во втором случае, для теплопроводности. При определении теплофизических характеристик калориметрическое устройство разогревается со скоростью около О,1 К/с с помощью нагревателя 2. Для измерения теплопроводности на регуляторе 13 задается перепад температуры верхней плоскости образца относительно нижней 5-50 К. После измерения на регуляторе 13 автоматически задается перепад V О и происходит измерение а и с. Затем схема опять переводится в режим измерения А путем задания V 5-50 К. Тепловые потоки q , входящие в . образец, и q , выходящие из образца, измеряются коитакткыг.1 мгшотеплоемким тепломером 4, который предварительно градуируется (в частности, по стандартному образцу). Время установления каждого режима определяется инерционностью верхней пластины и образца и, как показывает анализ, при выбранной скорости разогрева измерения можно проводить через каждые 5 К. : Предлагаемый способ и устройство могут быть использованы при комплекс ном изучении теплофизических свойств теплоизоляторов и полупроводников с Л 0,5-5 Вт/(м.К), а также при соз дании промышленных теплофизических приборов. Формула изобретения 1. Способ измерения теплофизических характеристик образца, монотонно разогреваемого через одну из изотермических поверхностей при пери одическом изменении теплового потока на другой поверхности с периодом, большим времени регуляризации температурного поля образца, включающий измерение теплового потока, температур в характерных сечениях образца, скорости изменения температуры и расчет характеристик по известным формулам, отлич ающийся тем, что, с целью повышения т.очности измерения одновременно с монотонным нагревом, перепад температур на образце последовательно устанавливают равным нулю и 5-50 К, а тепловой поток измеряют на изотермической поверхности, подвергаемой монотонному нагреву. 2.Устройство для измерения теплофизических характеристик по п.1, состоящее из разъемной теплозащитной, оболочки, металлического ядра, включающего нагревательный блок, контактирующий с основанием,.на котором установлен тепломер, образец и пластина, окруженные гщиабатической оболочкой, две терг юпары в пластине и термопару в тепломере, отличающееся тем, что дополнительно установлен регулятор, а в пластине установлен нагреватель, термопары пластины и тепломера включены дифференциально и последовательно с зс1датчиком перепада температуры и регулятором, соединенным с нагревателем пластины. 3.Устройство по п.2, отлича ющ е ее я тем , что диаМетр пластины равен внутреннему диаметру адиабатической оболочки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Лыков А.В., Аузрман Л.Я. Теория сушки. Пи1цепромнздат, 1946, с. 265. 2.Фрайман Ю.Е. Абсолютный метод комплексного определения теплофизических характеристик. - Инж.физ. журн. 1964, т. 7, 10, с. 73-79 (прототип).

iffr)

С

t,ff}

v

tfffj (fff.f

Ч