Способ определения теплофизических свойств материалов

 

Oll HCAHHE

ИЗОБРЕТЕНИЯ ,К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскиз

Социалистическиз

Республик

«««1 1004844 (61) Дополнительное к авт, свид-вуР4 Заявлено 041181 (21) 3352970/18-25 с присоединением заявки М(23) Приоритетрцм.кар

G 01 Н 25/18

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий ()публиковано 150383. бюллетень (53) ЯЖ 53б.б (088 8) Дата опубликования описания 150383

«

С.А.Николаев, Н Н.Непримеров, Н.Г.Николаева,

A.Н.Саламатин и Н.Ф.Егоров

1

«,.;;- :: ; 3, "л . ::,,"+.-. 3 j

Казанский ордена Ленина и ордена Трудового расного .:,.,, —.

Знамени государственный университет им.В.И.ульййс«в а (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

{ 54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЯСТВ

MATEPHAJIOB

Изобретение относится к измерительной технике,в частности к измерению теплофизических свойств материалов в форме пластин и пленок.

Известен способ определения тепловых свойств материалов . использующий регулярный режим третьего рода, при котором измеряют температуру в двух точках образца (эондовый метод), а затем по амплитудам. колебаний температур и сдвигу фазы между ними рассчитывают искомые величины.

Однако данный. способ имеет существенные недостатки: значительны погрешности определения тепловых свойств материалов при зондовых методах измерения температуры из-эа нарушения тем-пературного поля в районе зонда, зависящие от тепловых свойств материала и изменяющиеся от монтажа к монтажу датчика температуры. Кроме того, для легкораэрушаемых материалов, имеющих крупнозернистую структуру (горные породы, строительные материалы и т.д.), данный способ вообще непри-. иеним.

Известен также способ, согласно которому многослойный образец подвергают воздействию переменным тепловым потоком на одной его поверхности, а на другой при каждом фиксированксн4 сдвиге фазы измеряют частоты и амплитуду колебаний теплового потока.

Причем количество фиксированных сдвигов фазы равно количеству слоев материалов с разными тепловыми свойствами.

Этот способ характеризуется боль шой погрешностью измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийся

В ТОМУ ЧТО ПРИВОДЯТ B ТЕПЛОВОЙ КОН такт исследуемый образец в виде плабтины и контрольный образец в виде

««олубесконечного тела, затем воздействуют на поверхность образца, противоположную контрольному образ цу, периодическими колебаниями. теплового потока н регистрируют изменение температуры контрольного образца.

Однако известный способ имеет существенные недостатки, которые влияют на .Точйость определения тепловых свойствг известное техническое решение предусматривает измерение на свободной поверхности исследуемого образца, при этом значение. изме1004844

2gоИо Е " Д л 4в, — ñ,+ е

+ Р 6 1 »- cosV 4 при

О <9-Ь /що/2 oo < В я с с ссешс ссс цфс ея „ с-ф)е се "ссс,фс+ с=ЬХ4@.бесссе

2п0 (д Д, Mls.I р 4 () при

2саР-с21шсРо.<2с

Ещ (Й.Ь е иа С+У- 7-$, - ееСССа -(И-2

Ч 61И 2ХсР сс05 (М - .Я+3" - — -:., с где P., O,l, "o о

Во Чэ ренной температуры зависит от подво димой энергии, тепловых свойств образца, теплообмена свободной поверх- ности образца с окружающей средой

Р ТеДа кроме того, возникают дополнитель- 5 ные погрешности из-эа измерения температуры в плоскости контакта исследуемого образца и контрольного образца. Поведение иэотермических линий в зоне контакта двух тел показы- 10 вает, что при измерении температуры в плоскости контакта датчик может находиться либо в зоне единичного теплового пятна, либо в зоне повышенного теплового сопротивления, что и приводит к значительным случайным погрешностям.

Целью изобретения является повышение точности определения теплофиэических свойств материалов. е теплодроводность, тем" пературопроводность и толщина исследуемого образца соответственно; теплопроводность, тем- 45 пературопроводность контрольных образцов, амплитуда и частота синусоидальных колеба ний теплового потокау 50 амплитуда синусоидальных колебаний регистрируемой температуры, сдвиг фазы синусоидальных колебаний регистрй- 55 руемой температуры относительно синусоидалвных колебаний теплового потока; расстояние между по» верхностью первого контрольного образца, контактирующей с исследуемым образцом,и точкой регистрации температуры.

Цель достигается тем, что согласно способу определения теплофиэических свойств материалов, заключающемуся: в том, что приводят в тепловой контакт исследуемый образец в виде пластины и контрольный образец в виде полубесконечного тела, затем воздействуют на поверхность исследуе- мого образца, противоположную контрольному образцу, периодическими колебаниями теплового потока и регистрируют изменение температуры контрольного образца, поверхность образца, подвергаемую тепловому воздействию, приводят в тепловой контакт со вторым дополнительным. контрольным образцом в виде полубесконечного тела, выполненного из того же материала, что и первый контрольный образец, а определение теплофизических свойств .осуществляют по формулам

На чертеже показана схема, поясняющая способ определения тепловых свойств материалов.

Схема содержит полубесконечные тела 1 и 2 (c точки зрения распространения тепловых колебаний) с известными и равными тепловыми свойствами, например плавленый кварц или полиметилметакрилат, плоский источник тепловых колебаний 3, представляющий собой, например, нагреватель из металлической фольги, исследуемый образец 4 в виде пластины или пленки и датчик 5 температуры.

Вывод расчетных выражений для определения тепловых свойств материалов получают иэ решения математической задачи. Считают, что начальная температура равна нулю, а плотность теплового потока нагревателя ,равна. Qog)=ф Со (сй>, )

Математическая формулировка задачи для трехслойной модели имеет сле6

1004844 (- А (х(В е> и } ае /щ цХь }ле "» pf g е" "-Й(а-.-хл,-+4 ь осе«ех /щ(сеете (Pa+} 4P» щ.„+ (/е -Яю/й Ь

+Ж ОГССОЬ (a+ е eaare,,//е л > е (о i e a ее>, ф

Ф ЬХ /х(с <ЬХ4Щр!2Оо Ж (/аде/еее"естес аф -л)< @" (/}»сy)

q ья +свссое я+Л }л ял,>еь (р g) .хн ах а(е Й) /жr, . дующий вид в безразмерных координа-. таха ав„(хе> ахх,(х,х,> „ о

5 а(ее(х/,> аЪ (хх,> ае, ах ахех(х,Ъ> аЪх(хе >, ах»<7do; (е

0 0-a (P,) =q =<, Ю,S; б) }(.о,а„р,р )w<(y t.,-)»

„а вот ц зх = Эх .4)X=4Pr<(X,ð )= (X ) л я ке1 аящ,с,} эх ах 20

K)e å N<(x, Ц;Фi (}/ ц

Ц 3У1

Решение данной задачи, независя- 25 атее от начальных условий, для сину соидальных колебаний ищут в виде

>(Го) ()®8, =4,,3 . ВРо, Общее решение дифференциальных уравнений для Ц (g) записывается следующим образом: (}„Ю-с,е" " U (õ)=c е-х Пи 4+с х4%%

u,(õ) =с е.-" в

Константы (;, С(, С и С опрер еляются исходя из граничных условий

40 С1=С1+Съ|С1&kcv 4 =ОБ(СЪ-С,); с е " -" е с е л«>в>е {r,e 4 с е " >=-С "ее й

Для контрольного образца, в котором производится измерение синусоидальных колебаний. температуры, можно записать

2. Ле

О (x)— 4д-л е "/ "-я-А) е " А

Так как приведенная температура

QNPo)=ReU (X)e ; то., взяв реальную часть| можно записать решение задачи

2Ле !"- "а з,(}(,г,)=,, c05((uFo-(xH) +-÷ )

Я Дъ. р

amus

/e9%p8 ™ е»сессое — — ъ/за«а«

1ЬМа+РЧ где константы са, }Ъ, и безразмерные параметры выражаются следующим образом: « 4х» /е -я-лРе 1рхь х . (х.((хил> е - цд-л> е )»и Я, t

4Ао ео

Иэ полученного решения путем не-: сложных преобразований получаем эиа ченне для амплитуды и сдвига фазы синусоидальных колебаний теье ерату-, ры в размерных координатах

1004844

Способ определения тепловых свойств материалов осуществляется следующим образом.

Задают фиксированные частоту и амплитуду синусоидальных тепловых колебаний s нагревателе. Затем производят измерение амплитуды и сдвига фазы синусоидальных колебаний температуры в первом контрольном образце. По измеренным амплитуде и сдвигу фазы синусоидальных колеба- 10 ний температуры, используя приведенные формулы, определяют теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца.

Экспериментальные исследования тепловых свойств предлагаемым способом проводят на образцах в виде пластин толщиной от 1 до 15 мм при разных фазовых состояниях вещества.

Пример 1. Образец (аргеллит) толщиной 2 мм и диаметром 30 мм помещают между контрольными образцами (полиметилметакрилат) толщиной

40 мм и диаметром 30 мм, теплопроводность — 0,195 Вт/м K и температуропроводйость — 11,15 х 10 м /с.

Тепловой йоток амплитудой 157. б Вт/м и частотой 0.0942 Гц задают от квар- цевого генератора тепловых колебаний.

Измерение температуры проводят термопарой, рабочий спай которой находит. cJ. на расстоянии 1 мм от поверхности ,первого контрольного образца, а холодный — на противоположной поверхности данного образца. При этом амп.литуда температурных колебаний равна 35

0.111 К, а сдвиг фазы 2 04 рад. Для данного образца получают следующие значения тепловых характеристик: теплопроводность 1.16 Вт/м К, температуропроводность 6.06 х 10 вас и тепло-49

- 7 емкость 1863 Дж/кгоК.

Пример 2. Образец (битумная нефть), зазор 1 мм, тепловой поток амплитудой 157,6 Вт/м и частотой

0.047 Гц, контрольные образцы— полиметилметакрилат. Измеряют амплитуду колебаний температуры—

0,515 К и сдвиг фазы — 1.55 рад. Определяют тепловые свойства: теплопроводность — 0.110 Вт/м К, темпе2 .Й 6

Формула изобретения

+ g -й — - — cosЖ (gl, - „al. (О 1

О +М-hX4<4J a/2 Oe «®

"сае(/Щд + P - -)е @ "аае Я- 1 ) аЫаН (gè a 7;Г И/а а при а аа-д Я а да, <2Х ф = (-/ +O CO5 (/ —" ц)е ратуропроводность — О. 61 х 10 м 2/с и теплоемкость — 1898 Дж/кг К.

Пример 3. Образец (воздух). условия проведения эксперимента аналогичны примеру 2. Измеряют амплитуду колебаний температуры

0.127 К и сдвиг фазы - 1.80 рад.

Определяют тепловые свойства: теплопроводность — 0.025 Вт/маК, температуропроводность - 194 х х 10 м jс и теплоемкость -1071 Дж/кг К.

Приведение поверхности образца в тепловой контакт со вторым контрольным образцом в предлагаемом изобретении обеспечивает повышение точности по сравнению с известным способом.

Кроме того, становится возможным проведение исследований образцов в разных фазовых состояниях, что имеет большое значение при бурении и разработке мерзлых толщ Земли, причем упрощается проведение определения тепловых свойств материалов, так как отпадает необходимость в измерении температуры на свободной поверхности образца.

Способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийся ,в том, что приводят в тепловой контакт исследуемый образец в виде пластины и контрольный образец в виде полубесконечного тела, затем воздействуют на поверхность исследуемого образца, противоположную контрольному образцу, периодическими колебаниями теплового потока и регистрируют изменение температурь| контрольного образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, поверхность образца,. подвергаемую тепловому воздействию, приводят в тепловой контакт со вторым дополнительным контрольным образцом в виде полубесконвчного тела, выполненным иэ того же материала, что и первый контрольный образец, а определение теплофизических свойств осуществляют по формулам

1 2Оо

1004844

М-4Х +Фа ССаЬ л,)"

Составитель А.Платова

Редактор М.Бандура Техред A.A÷ Корректор Г. Огар

Заказ 1872/54 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектная, .4 где,g,l, — теплопроводность,.температуропроводность и толщина исследуемого образца соответ- щ ственно, Wgi

1о - амплитуда синусоидальных колебаний регистрируемой температуры, ф — сдвиг фазы синусоидальных колебаний регистрируемой температуры относительно синусоидальных колебаний теплового пото ка

4 Х вЂ” расстояние между поверхностьв первого контрольного образца, контактируемой с исследуемым образцом,и точкой регистрации температуры.