Способ определения теплофизических характеристик материалов Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области тепловых испытаний, а именно к измерениям теплофизических характеристик материалов, и может применяться при лабораторных, технологических и полевых исследованиях различных материалов .

Известен способ определения теплофизических характеристик путем подвода постоянного теплового потока к поверхности полубесконечного тела и регистрации изменения температуры на поверхности тела и в глубине его Cl.

Недостаток способа - необходимость нарушения целостности образца для закладки измерителя температуры.

Известен также способ определения теплофизических характеристик материалов путем подвода постоянного теплового потока к части плоской поверхности образца и регистрации изменения температуры поверхности образца в зависимости от времени. Температура регистрируется в точке центре симметрии круга 2 .

Недостаток известного способа ограничение точности вследствие сложности создания надежного контакта образец-источник тепла, влияния

качества поверхности, твердости исследуемого, материала, а также искажения измеряемой температуры под влиянием пористости, макронеоднородностей образца.

Цель изобретения - повышение точности .

Указанная цель достигается тем, что согласно известному способу определения теплофизических характеристик, который заключается в подводе постоянного теплового потока к части плоской поверхности образца и в регистрации изменения температуры поверхности образца в зависимости от времени, тепловой поток подводят к поверхности, ограниченной кольцом, а изменение температуры регистрируют интегрально по поверхности круга с диаметром не более внутреннего диаметра кольца.

На фиг. 1 в качестве физической модели изображено полуограниченное тело; на фиг. 2 - устройство для реализации способа.

На части поверхности полуограниченного тела, ограниченной кольцом и внутренним и внешним радиусами соответственно R и Ri, центр которого

30 совпадает с началом координат (О; O-f О), полводится тепловой поток постоянной мощности q const, нормальный к поверхности. Предпола- гаетсЯ| что в начальный Момент времени t о температура всех точек поверхности равна Т(О). При указанных граничных условиях шдется решение дифференциального уравнения теплопроводности для интегральной температуры поверхности, заключенной в круге радиуса R(R ts R Это решение позволяет при фиксирован ных R2./R и R/R затабулировать зави симости Т(1ГМ(0) ..,. ifc.t,, интегральная температу - критерий Фурье; - коэффициент теплопрово;цности материала; Q - коэффициент температу: ропроводности материала. Т fZC 1 - Т fOI Отношение v/A-s - определя1 I, tr J - 1 ется из эксперимента, после чего по графику (таблице) находится FQ, а затем коэффициент температуропроводности„ По известному критерию F находят значение функции ), рассчитывают коэффициент теплопроводности --г-тщ гСРо) и далее объемную теплоемкость гп: .л..; у а Для реализации способа может слу жить, например, устройство (фиг,2; состоящее в основном, йз измерителя интегральной температуры 1 и кольце образного источника 2 теплового потока. Измеритель интегральной температуры 1 содержит кожух 3, внутри которого находится детектор 4 инфракрасного излучения и инфракрасная оптическая система 5. Кожух 3 охлаждается парами жидкого азота. Кольцеобразный источник 3 теплового потока содержит кожух б нагревателя, внутри которого находит ся нагреватель 7 в виде кольцевой спирали, отражатель 8, инфракрасный фильтр 9, систему 10 экранов. Н реватель 7 питается от высокостабильного источника питания. Устройство снабжено также теплоизоляционной заслонкой 11. Устройство устанавливается на определенном расстоянии от поверхнос ти исследуемого материала 12, на котором предварительно маркой черного тела (80% сажи/ 20% жидкого стекла по объему) наносится рисунок - кольцо 13 с размерами R и R, в центре кольца круг 14 радиусом R R, Необходимость нанесения рисунка на поверхность исследуемых материалов возникает вследствие того, что материалы имеют разную степень черноты. Поэтому для однозначности величины теплового потока и измерения температуры, поверхность приводят к одной степени черноты. (Величина теплового потока с определяется по калибровочным опытам на эталонном материале) . Далее на нагреватель 7 подается высокостабильное напряжение при закрытой заслонке 11. Устройство некоторое время прогревается до рабочего состояния. Потом заслонка 11 резко убирается и происходит разогрев той поверхности исследуемого образца 12, на которой нанесен рисунок 13 (кольцо). С этого момента начинается отсчет времени. В кратные моменты времени детектор 4 инфракрасного излучения через оптическую систему 5 регистрирует интегральную температуру рисунка 14 (круга). По полученным данным производят расчеты. Из соображений надежности информации о температуре поверхности нижний предел возможных значений радиуса R устанавливается равным 0,25 R . Использование способа обеспечивает следующие преимущества по сравнению с известными способами. 1. Возможность определения теплофизических характеристик материалов бесконтактным методом, что необходимо при исследовании материалов на труднодоступных изделиях, химически вредных, обладаквдих очень малой твердостью, с шероховатой поверхностью и т.д. 2. Увеличение круга объектов исследования за счет возможности определения теплофизических характеристик пористых и крупнодисперсных композиционных материалов. 3. Повышение точности измерения теплофизических характеристик материалов за счет использования в расчетах интегральных температур, исключение погрешности вследствие несовершенства контактов между образцом и источником теплового потока, а также измерителем температуры. Формула изобретения Способ определения теплофизических характеристик материалов путем подвода постоянного теплового потока к части плоской поверхности образца и регистрации изменения температуры поверхности образца в зависимости

от времени, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, тепловой поток подводят к поверхности, ограниченной кольцом, а изменение температуры регистрируют интегрально по поверхности круга с диаметром не более внутреннего диаметра кольца.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Дмитрович А,Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов.М., Госстройиздат,19бЗ,.. с. 78-81.

2.Авторское свидетельство СССР №458753, кл. G 01 N 25/18, 1972.

///.

/7////

О

fO

i

//Л///

r

f3 fe 7T

фуг. 2