Способ определения теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к экспериментальной физике и может быпэ/использованодля комплексного определения теплофизических характеристик материалов. Цель изобретения - повышение точности. На поверхность исследуемого материала воздействуют тепловым импульсом от линейного источника тепла и регистрируют температуру на линии действия тепла и на заданном расстоянии от зтой линии в фиксированный момент времени, а в качестве фиксированного момента времени выбирают момент, соответствующий равенству избыточной температуры в точке на заданном расстоянии от линии нагрева и разности избыточных температур на линии нагрева и на заданном расстоянии от этой линии. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 и 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4802513/25 (22) 15.03.90 (46) 15,02.92. Бюл. М 6 (72) Б.А,Арутюнов. T.ß. Граэдовский, А.И.

Фесенко и 8. 8, Штейнбрехер (53) 536,6(088.8) (56) Теплофизические измерения .и приборы. Под ред. Е; С. Платунова. Л.: Машиностроение, 1986, с. 256.

Авторское свидетельство СССР .

l4 834480, кл. 6 01 И 25/18, 1981. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов методом мгновенного источника тепла, заключающийся в локальном или тотальном нагреве поверхности испытуемого материала кратковременным тепловым импульсом, регистрации интервала времени, соответствующего экстремуму температурной кривой после воздействия тепловым импульсом на материал, в какой-либо точке испытуемого материала. удаленной от места произведения нагрева.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает высокую точность определения коэффициента температуропроводности материалов. Это объясняется тем, что определение экстремума температурной кривой сопровождаетЫ., 1712849 А1 для комплексного определения теплофиэических характеристик материалов. Цель изобретения - повышение точности. На поверхность исследуемого материала воздействуют тепловым импульсом от линейного источника тепла и регистрируют температуру на линии действия тепла и на заданном расстоянии от этой линии в фиксированный момент времени, а в качестве фиксированного момента времени выбирают момент, соответствующий равенству избыточной температуры в точке на заданном расстоянии от линии нагрева и разности избыточных температур на линии нагрева и на заданном расстоянии от этой линии. 3 ил. ся значительными погрешностями вследствие "размытого" характера этого экстрему-, ма, что обусловливает субъективные ошибки экспериментатора и пониженную точность работы электронных дифференцирующих устройств.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предла- О© гаемому является способ определения фв теплофизических характеристик материа- © лов, включающий импульсное тепловое воздействие линейным источником тепла на поверхность исследуемого материала. регистрацию температуры на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от него в фиксированный момент времени с последующим вычислением искомых характеристик.

Недостатком указанного способа является его низкая точность, обусловленная необходимостью измерения двух координат.

1712849 точек на поверхности исследуемого материала от линии действия тепла, в которых ре-, гистрируется температура, з также относительной сложностью расчетных формул для нахождения искомых характери- 5 стик.

Цель изобретения — повышение точности.

На фиг. 1 показан пример осуществления способа; на фиг, 2 — схема включения 10 измерительных преобразователей температуры; на фиг. 3 — графики избыточных температур на линии действия источника тепла

Т (О, t), в точке на заданном расстоянии от линии нагрева T (x1, t) и разности /()T(t) = 15

= T (0, r ) - T (x1, t ).

На теплоизолированной поверхности испытуемого образца 1 помещают нз расстоянии х1линейный нагреватель 2 и датчик

3 температуры и осуществляют воздействие 20 тепловым импульсом. Температурное поле

Т (х, t) при действии линейного импульсного источника тепла нз поверхность полуограниченного в тепловом отношении испытуемого образца (Z= О) описывается за- 25 виси мостью или

Отсюда

0,36x) t1. (7) . (8) 0,22 0 ()

Таким образом, при известном значении О=сопзс после подачи теплового импульса, регистрируя момент времени t1. соответствующий равенству между избы40 точной температурой Т (x1, t1) в точке на заданном расстоянии х1 от линии нагрева и разностью AT(ц) избыточных температур на линии действия источника тепла T(0, t1) и на заданном расстоянии от нее Т {x1, т1), 45 можно по формулам {7), (8) и (9} определить теплофизические характеристики материа- лов.

Для повышения точности может быть рекомендован относительный способ опре50 деления теплофизических характеристик материалов. Для этого на теплоизоляторе помещзются линейный нагреватель и датчик(и) температуры, которые в целом представляют собой измерителЬный зонд. 8

55 режиме калибровки указанный измерительный зонд приводится в тепловой контакт с материалом с известными теплофизически- . ми характеристиками и определяются а, А, С р по формулам P);(8) и (9).

= Т (О, t1 ) — Т (х1, t1 ), Т (x,e) =- — хх — ехр C — ), (1) где Q — энергия. теплового импульса в расчете на единицу длины, Дж!м; х — координата, отсчитываемая от оси источника, м;

); коэффициент теплопроводности, Вт/м; К; а — коэффициент температуропроводности, м /c;

t- время, с.

Температура на линии действия источника тепла определяется соотношением (линейный источник может быть конструктивно совмещен с термодатчиком) () - ()

Для определения теплофизических характеристик материалов осуществляется регистрация момента времени t1, соответствующего равенству Между избыточной температурой Т (x1, t1) в точке на заданном расстоянии х1 от линии нагрева и разностью избыточных температур ЛТ (t1) нз линии действия тепла T(0, t1) и нз заданном расстоянии от линии нагрева Т (х1, t1).

Следовательно, T(x11t1) =ЛТ(1) = (3) где

ЛТ(Ц ) = — хх — (1 — exp(-Е )), (4)

Тогда выражение (3) можно записать как — 2хх-„— (1 — ехр (-Е)) ехр (— — „) =0,5 .(6)

x) Подставив в формулу (4) выражение P), определяют коэффициент теплопроводности

Формулы (7) и {8) позволяют получить выражение для объемной теплоемкости

1712849 .

После это о осуществляют измерение теплофизических характеристик исйытуемых материалов с учетом данных, полученных при калибровке измерительного зонда.

Подобный подход позволяет исключить в значительной степени систематические погрешности измерений и не производить прямые и косвенные измерения величин Q и х1.

8 качестве примера технической реализации предлагаемого способа может быть использовано совмещение линейного электронагревателя с термопарой, спаи которой сварены встык, для измерения температуры

Т (О, ф На заданном расстоянии x> or линейного нагревателя измеряются температуры

Т (х1, t) B Двух точках. При этом эти точки могут быть расположены с одной стороны от источника тепла (нагревателя) или симметрично: Т (х1,.t) и Т (-х1, ф После подачи теплового импульса переключателем электроды термопар соединяются по следующей схеме(фиг. 3). Термопары Тл1, Т 2 включены, согласно (образуют термобатарею) и соединены с термопарой Тп3 по дифференциальной схеме. В момент х1 нуль-индикатором регистрируется разность Т (х!, х !) — bT(t+0.

Е- ff ЬТ(тЯ вЂ” термоЗДС, являющаяся функцией разности избыточных температур на линийдействия источника тепла и на заданном расстоянии от нее.

Методом математического и машинного моделирования на 3ВМ ЕС 1840 проведен расчет избыточных температур при х=О, и х!2 1О м, Q=11,5 Дж/м, 1=0,1 Вт/м:К, а=

3 10 м2/c. Результаты расчетов приведены в виде графиков на фиг. 3. На основании полученных термограмм нагрева определен момент времени т 1- 4,81 с, соответствующий равенству Т (х1, t>)= ЬТ(т! )=1,905 С. По формулам (7) и (8) рассчитаны коэффициенты тепло- и температуропроводности арф .=2,994 10 м !с:

-7 2

Яра ч=о, 004 Вт(м К.

Тогда относительные погрешности определения коэффициентов тепло- и температуропроводности будут соответственно равны да=0.2, дА-0.4 .

Таким образом, использование предлагаемого сгюсоба определения теплофизиче5 ских характеристик материалов позволяет повысить точность определения искомых коэффициентов по сравнению с прототипом. г

Формула изобретения

10 .Способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий импульсное тепловое воздействие линейным источником тепла на поверхность исследуемого материала, регистрацию

15 температуры в двух точках поверхности в фиксированный момент времени с последующим вычислением искомых характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве фиксиро20 ванного момента времени выбирают мо. мент времени, соответствующий равенству избыточной температуры в точке на заданном расстоянии от линии нагрева и разности избыточных температур на линии

25 нагрева и на заданном расстоянии от этой линии, а искомые характеристики определяют по формулам

0,36x) О ОВ а

ЕТ Т Т-%

С

Р Т(т!) д

35. где а, Я, С,р- соответственно коэффициент температуропроводности, теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность исследуемого, материала;

40 Q — энергйя теплового импульса в расчете на единицу длины; х! — расстояние между линейным источником тепла и точкой контроля на линии, параллельной линии.йагрева;.

ЬТ(х1 }- разность избыточных температур на линии действия источника тепла и . на заданном-расстоянии от нее в момент времени ю1, когда эта разность равна избыточной температуре в точке контроля.

3712849

1712849

Т, с

®

f7 f6 т 5

О

М

f0

8

7 . 6

5f 90$ о

2 3 . Н 49 6 Т 3 Ф Ю И .И И 1 6 Ю . Фиг.З

Составитель В.Марченко

Редактор И.Касарда Техред ММоргентал . Корректор Н Ревская

Заказ 532 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат ",Патент", г. ужгород, ул.Гагарина, 101