Способ определения коэффициента температуропроводности твердых тел

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ K03 M«ЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ TBEPftJX ТЕЛ, в которот нагревают .исследуемой образец заданной {юрмы внааним источником теппа по закону простого гармонического колебания с заданной частотой , измеряют температуры на разных расстояниях ot обогреваемой поверхности образца, измеряют разность фаз колебаний этих температур, по которым рассчитывают HCKONbrtt коэффициент, отличающий ся тем, чтб, с целью повышения точности за счет упрощения способа при одновременном сокращении времени определения, не-. прецялвно измеряют тепловое расширение образца, по которому определяют фазу колебаний среднеобъемной температуры образца, измеряют разность фаз колебаний температуры обогревае Мой, поверхности и среднеобъемной гтемпературы, а коэффициент темпера;туропроводности определяют из I отношения частоты колебаний темпера;туры источника тепла к раз ности фаз : колебаний температуры поверхности и среднеобъемной температуры образца по формуле и ае К 1W ;где w 7 круговгш частота колебаний (Л температуры источника теп: л с лЧ - разность фаз колебаний темпе1ратуры поверхности образца и его среднеобъемной температуры J К - коэффициент, учитывающий геометрические параметры образца. со 00 00 ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

COIWI

РЕСПУБЛИК

3(Щ 6 01 И 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ

К ASTON СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3420993/18-25 (22) 12.04.82 (46) 30.08.83 . Бюл, 9 32 (72) М.Е. Гуревич и A.È. Носарь (71) Институт металлофиэики AH Украинской CCP (53) 536 ° 2(088.8) (56) 1. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М-Л., Машгиз, 1957, с. 244, 2. Берман Р. Теплопроводность твердых .тел. M. "Мир", 1979, с. 20 (прототип}. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЯХ

ТЕЛ, в котором нагревают исследуемнй образец заданной форьы внешним источником тепла по закону простого гармонического колебания с заданной частотой, измеряют температуры на разных расстояниях от обогреваемой поверхности образца, измеряют разность фаэ ко лебаний этих температур, по которым рассчитывают искомый коэффициент, отличаю шийся тем, что, с целью повышения точности за счет .упрощения способа при одновременном сокращении времени определения, ие-, ..SU„„ 1038851 А прерывно измеряют тепловое расшире:ние образца, по которому определяют ,фазу колебаний среднеобъемной температуры образца, измеряют разность фаэ колебаний температуры обогревае.,:Мой поверхности и среднеобъемной

:температуры, а коэффициент темпера .туропроводности Ф определяют иэ, отношения частоты колебаний темпера.туры источника тепла к разности фаэ колебаний температуры поверхности и среднеобъемной температуры образца по формуле где ы - круговая частота колебаний температуры источника теплаВ аЧ - разность фаэ колебаний температуры поверхности образца и его среднеобъемной g температуры

K ""- -коэффициент, учитывающий геометрические параметры образца.

1038851

Изобретение относится к теплофи- ° . эическим измерениям и может быть использовано для измерения температуропроводности материалов, преимущественно металлов, в широком диапазоне температур.

Известен способ определения температуропроводности материалов для измерений в широком интервале температур нестацнонарным методом с использованием так называемых pery- 10 лярных тепловых режимов. Измерение температуропроводности с использованием регулярного режима первого рода состоит в том, что образец из исследуемого материала помещают в среду с постоянной температурой T«измеряют разность между температурой среды и температурой T какой-либо точки внутри образца в различные моменты времени, а температуропроводность зе рассчитывают по формуле (1 1.

Недостатком указанного способа является то, что он практически не пригоден для веществ с высокой . температуропроводностью, в частности металлов, и их надежное измерение возможно лишь на очень больших образцах либо с созданием специальных режимов с быстрым теплообменом между средой и образцом. Кроме того, этот способ не может быть беэ дополнительных операций использован для определения температурной зависимости температуропроводности.

Наиболее близким к предлагаемому З5 является способ определения температуропроводности с использованием регулярного режима 3-го рода, согласно которому длинный стержень с теплоизолированной боковой поверх- 4 ностью нагревают с одного конца так, чтобы его температура изменялась по закону гармонического колебания с круговой частотой ы, измеряют температуры на расстояних х и х от обогреваемого конца, находят раз ность . фаз колебаний этих температур, а температуропрояодность определяют по формуле (2 3.

Используемая расчетная формула получена для полубесконечного тела,, поэтому при расчете температуропроводности реальных конечных образцов снижается точность результатов измерений, что в конечном счете делает их приближенными, Для повышения

55 точности измерений прозводят дополнительные операции, например, помещают образец в управляемую адиабатическую оболочку и проводят несколько измерений на разных частотах.60

Это усложняет способ и в реальных условиях при высоких температурах не избавляет от неконтролируеьих теплопотерь, связанных, например, с неодинаковым распределением темпеРатуры по длине образца и адиабатического экрана, обусловленным неоднородностью температурного поля вдоль образца, Кроме того, точность измерений зависит от точности определения координат базовых точек и от,конструкции и геометрических размеров датчиков температур.

Цель изобретения — повышение точности за счет упрощения способа при одновременном сокращении времени определения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента температуропроводности твердых тел, в котором нагревают исследуемый образец заданной формы внешним источником тепла по закону простого гармонического колебания с заданной частотой, измеряют температуры на разных расстояниях от обогреваемой поверхности образца, измеряют разность фаз колебаний этих температур, по которым рассчитывают искомый коэффициент, непрерывно измеряют тепловое расширение образца, 1 по которому определяют фазу колебаний среднеобъемной температуры образца, измеряют разность фаз колебаний температуры обогреэаемой поверхности и среднеобъемной темпера- туры, а коэффициент температуропроводности а. определяют из отношения частоты колебаний температуры источника тепла к разности фаз колебаний температуры поверхности и среднеобъемной температуры образца bio формуле ж= к р Е где К вЂ” постоянный коэффициент для

I образца заданной формы н раз-.

< 2 мера (напрцмер, y,» для

12 г пластины; K- =— для сферы;. для цилиндра К а2

no и — толщина пластины, диаметр цилиндра нли сферы), (u - круговая частота колебаний температуры источника тепла

I - разность фаэ колебаний температуры поверхности образца и его среднеобъемной температуры.

Предлагаемый способ основан на том, что изменение объема тела (а значит и его линейных размеров) определяется его средней температурой.

Это позволяет для определения коэффициента температуропроводности по разности фаз между температурами на разном расстоянии от поверхности образца, обогреваемого внешним источником тепла, по закону простого гармонического колебания измерять лишь температуру поверхности, а в качестве сигнала об изменении второй температуры использовать термическое

1038851 расширение образца, по которому определяют изменение среднеобъемной температуры. Использование среднеобъемной температуры приводит к тому,. что отпадает необходимость измерять расстояния от поверхности, на которых производится измерение температур.

Кроме того, использование измере- ния разности фаз между температурой поверхности и среднеобъемной темпера-10 турой позволяет применить для :расчета формулы, выведенные для образцов, имеющих по крайней мере один конечный размер (пластина, цилиндр, сфера)

Как показывают расчеты,. если температура поверхности образца Т изменяется по закону

Т = Тп sin cut ° где T - температура поверхности об20 разца, Т„ — амплитуда колебаний температуры поверхности, ы — круговая частота колебаний температуры поверхности; время

A то среднеобъемная температура образца

Tcp Tos;n(Mt - K ) ô

ЗО где Т вЂ” среднеобъемная температура образца;

То — амплитуда колебаний среднеобъемной температуры;

w — круговая частота колебаний 35 среднеобъемной температуры время; х — температуропроводность образца; коэффициент, учитывающий 40 геометрию образца при вы боре частоты так, чтобы

Принятая последовательность операций позволяет определить коэффициент температуропроводности .при заданных размерах образца и заданной частоте колебаний .во времени температуры источника тепла по разности фаз колебаний. температуры поверхности и среднеобъемной температуры образца.

Пример. Для проверки предлагаемого способа проводяь исследова,ние температурной зависймости темпе:ратуропроводности никеля (99,993) в интервале температур 300-1000 K.

В качестве образца выбрана пласти.на радиуса 3 см и толщиной а=0,5 см

Амплитуда колебаний температуры поверхности составляла 0,5 К и частота. м.=0,1 кГц. Измерения проводят через каждые 20 К от 300 до 500 К и от

700 до 1000 К. В области Фазового превращения (500-700 К) измерения проводят каждые 10 К. Для измере ния колебаний толщины пластины используют автоматический дилатометр с дифференциальным индукционным датчиком, имеющий чувствительность к малым перемещениям 4ф < 5 10 . Теггловой режим эксперимента выдерживают с помощью программного регулятора температуры. Температуру поверхнос- <

ЯР ,м><,(где. ь - частотajу

a - температуропроводность; а - толщина пластины или диаметр цилиндра или сферы).

При этом выбирают пластину и ци линдр такими, чтобы их боковые новерх50 ности на несколько порядков превышали поверхности торцов во избежание краевых эффектов.

Термическое удлинение (изменение толщины, пластины или диаметра цилинд-SS ра или сферы) образца пропорционально средней температуре и равно аа

sin(t K — )э

4О

Ю где аа — тепловое расширение образца у а - начальный размер образца, например толщина пластины, диаметр цилиндра или сферыу Ф.

Н.- коэффициент линейного теп лового расширения материала образца

1 w - круговая частота колебаний температуры или удпинения, зс — коэффициент температуропроводности;

К вЂ” коэффициент, учитывающий геометрические параметры образца.

Таким образом, разность фаэ а М

i колебаний температуры поверхности

Т и удлинения равна д V =К -уоткуда следует, что и =K ф где re - коэффициент температуропроводности;

К вЂ” коэффициент, учитывающий геометрические параметры образца;

0u — нруговая частота колебаний температуры источника тепла; сИ - разность фаэ колебаний температуры поверхности и среднеобъемной температуры ббразца.

Таким образом, по сравнению с известным способом в предлагаемом отсутствуют погрешности, вызванные необходимостью применять в эксперименте модель полубесконечного тела, например длинный стержень с тенпоизолированной боковой поверхностью (дпя снижения влияния на результаты измерений неконтролируемых теплопотерь).

1038851

Составитель В. Гусева.

Редактор С. Квятковская Техред Ж. Кастелевич Корректор В. Бутяга

Ф В»

Заказ 6222/51 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Ь «4

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ти образца измеряют с помощью термо--, пары ХА; Результаты измерений регистрируют на электронных самопишущих потенциометрах KGlt-4. Значения коэффициента температуропроводности рассчитывают по формуле 5

М ,12

Т2 а9

Сопоставление полученных результатов с данными, полученными с .помощью известных способов, показывает, что предлагаемый способ по чувствительности и точности значительно превосходит известный способ и одновременно позволяет получить полезный 15 эффект сокращения времени определения.

Так, время, необходимое для получения представленной кривой сокращается по сравнению с базовым способом и прототипом в два раза за счет исключения второго измерения и упрощения расчетов.

При сопоставлении предлагаемого способа с известным видно, что пред- лагаемый существенно упрощает определение коэффициента температуропроводности (сокращаются более чем в 2 раза основные и подготовительные операции) и соответственно сокращается время определения. Эффект повышения точности и сокращения времени усиливается при определении темпе-, ратурной зависимости темперИ туропроводности в особенности в области средних и высоких температур.