Способ определения теплофизических характеристик материалов

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ, заключакнцийся в тепловом воздействии путем скачкообразного изменения темп ратуры и поддержания ее на новом постоянном уровне на свободную поверхность эталонной пластины, приведенну в тепловой конта.кт с полубесконечным в тепловом отношении телом, и измере нии величины теплового потока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и исключения операции предварительной обработки поверхности исследуемого ала, тепловой поток измеряют ерхности эталонной пластины заранее заданный промежуток и датчиком, закрепленным на ерхности, а теплофизические еристики рассчитывают по фор . . V. . «Cejfu- а, UK , o,Shкоэффициент теплопроводности исследуемого тела, Вт/мк; объемная теплоемкость исследуемого тела, тепловой поток на внешней поверхности эталона в момент времени , температура на внешней стороне эталона,К t соответственно коэффициенты теплои температуропроводности эталонного материала, Вт/мк; мЗ/Сг толщина эталона, м.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГЬ Б ЛИК

1(5П G 01 N 25 18 материала, тепловой поток измеряют на поверхности эталонной пластины через заранее заданный промежуток времени датчиком, закрепленным на ее поверхности, а теплофизические характеристики рассчитывают по форгде а (+к и

М < %,! &Та, I т,, Эц — коэффициент теплопроводности исследуемого тела, Вт/мк;

C f - -объемная теплоемкость исслем м

3; дуемого тела,. Дж/м к; фЩ- тепловой поток на внешней поверхности эталона в момент времени, Вт/м

Т<- температура на внешней стороне эталона, К

Ъ а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности эталонного материала, Вт/мк м /С; и — толщина эталона, м.

onst (21) 3610914/18-25 (22) 29 ° 06.83 (46) 07.11.84. Бюл. Ю 41 (72) В.Н.Чернышов и Т.И.Рожнова (71) Тамбовский институт химического машиностроения (53) 536.6 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СС Р

9 305397, кл. G 01 N 25/18, 1971.

2.Авторское свидетельство СССР

М 834482, кл. G 01 0 25/18, 1981. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛО

ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ, заключающийся s тепловом воздействии путем скачкообразного изменения температуры и поддержания ее на новом постоянном уровне на свободную поверхность эталонной пластины, приведенную в тепловой контакт с полубесконечным в тепловом отношении телом, и измерении величины теплового потока, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений и исключения операции предварительной обработки поверхности исследуемого тея С

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1122ß55

Изобретение относится к тепловым испытаниям и может .быть использовано при разработке.и исследовании новых. материалов и изделий из них.

Известен способ определения теплопроводности и теплоемкости материалов, основанный на измерении зависимости температуры от времени s плоскости теплового контакта эталонного. материала в виде пластины и исследуемого тела после мгновенного охлажде- 10 ния при постоянной температуре внеш-. ней поверхности пластины (1) .

Недостатками данного способа являются длительность эксперимента, связанная с необходимостью регистра- 35 ции термограммы в плоскости контакта, и значительная погрешность, обусловленная необходимостью графической обработки температурной кривой для расчета теплофизических характеристик, а также необходимостью установки датчика температуры на поверхности исследуемого тела.

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в тепловом воздействии на свободную поверхность пластины путем скачкообразного изменения температуры и поддержания ее постоянной на новом уровне и измерении момента вре- 30 мени, когда соотношение температур на поверхности пластины и в плоскости. контактных тел достигает наперед за- данного значения (21 .

Недостатками известного способа

35 являю ся ограниченная точность опре» деления искомых теплофизических характеристик, обусловленная необходимостью размещения термопреобразователя на поверхности исследуемого те- 40 ла, что является причиной появления контактного термосопротивления между термопреобразователем и телом, а также погрешность, обусловленная необходимостью косвенного измерения момента времени достижения наперед заданного соотношения между температурами на поверхности пластины и s плоскости контакта тел посредством непрерывного сравнения разных по уровню сигналов термопреобразователей, расположенных в указанных точках. Погрешность от влияния контактных термосопротивлений в тепловой системе составляет наибольшую долю в общей погрешности результатов измерений (около 40-50Ъ), а сделать точную теоретическую оценку с целью введения поправки невозможно вследствие большого числа неконтролируемых факторов, влияющих на величину 60 контактного сопротивления, к числу которых относятся степень прижатия термопреобразователя к исследуемому телу, шероховатость тела, твердость и т.д, 65

Цель изобретения — повышение точ ности и исключение операций предва» рительной обработки поверхности ис-. ,следуемого материала.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических характеристик материалов, заключающемуся в тепло-. вом воздействии путем скачкообразного изменения температуры и поддержания ее на новом постоянном уровне на свободную поверхность эталонной пластины, приведенную в тепловой контакт с полубесконечным в тепловом отношении телом, и измерении теплового потока, тепловой поток измеряют на поверхности эталонной пластины через заранее заданный промежуток времени датчиком, закрепленным на ее поверхности, а теплофизические харак" теристики рассчитывают по формуле 1, -к

Ъ„с„у„= — — а, (+к), «к (-а, 14Е, >, V--Î,S<- Je ., с э коэффициент теплопроводности исследуемого тела,Вт/ „, C„f„- объемная теплоемхость ис" следуемого тела А< р; л к

q(-R,<„)- тепловой поток на внешней поверхности эталона в момент времени 2, )р,р;

1с - температура на внешней стороне эталона, К;

Ъ аэ- соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности эталонного материала, 611 3 мic t

R — толщина эталона, м.

На чертеже представлена схема, реализующая способ.

Сущность способа заключается в следующем.

Полубесконечное в тепловом отношении тело приводят в контакт с пластиной, обладающей известными свойствами. Перед началОм эксперимента .систему исследуемое телопластина термостатируют при постоянной начальной температуре. Затем . температуру свободной поверхности пластины скачкообразно меняют и потом поддерживают постоянно на новом температурном уровне . После начала теплового воздействия в заданный момент времени с измеряют значение теплового потока ct (- R, 2, ) на поверхности пластины.

Расчет искомых теплофизических характеристик осуществляют из решения обратной задачи теплопроводности для системы полуограниченное в тепловом отношении тело-пластина из эталонного материала.

Тепловой процесс в данной физической системе описывается следую1122955 (3) Т (х,o) шТ„(х,o) шО;

3Тэ(о, ) 3Tg (0 () Э х hx (4) . Т (-К ЯшТ сСОтт > 0 (5) где где

ВНИИПИ .Заказ 8131/36

Тираж 822 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. ужгород, ул.Проектная, 4 щей краевой одномерной задачей теплопроводности (начало координат помещено в плоскости контакта тел) ат,(х,".), а Тэ(х,".) (1)

8" " а" дт,т*,;i а т,iè,åi (2) е. где Т (х, ь) и Т„(х, ф) — соответственно температура в эталонном .и исследуемом теле;

Ъз,%,о,а - коэффициенты тепло- и температуропроводности соответственно эталонного и исследуемого тел

1С - температура свободной поверхности пластины; к — толщина пластины.

Используя операционный метод.для решения уравнений (1) †(5), получим температурное поле в эталонном теле в следующем виде

T (x,u)-T,Г («.) F фФ 4а э- Гаэ )тф . (о) о = у та,ъ -еае ъе дтт-<1<к ф к — функция ошибок Гаусса. аэ ц Используя выражение (6), после несложных математических преобразований можно записать х э <-x1 тд ефfu. а ((фК) ф (7)

gag <) < ) 2 . к*а,етк — е —..

) аа„=Таким образом, измерив в заданный момент времени < величину теплового потока на поверхности пластины из эталонного материала по формуле (7), можно определить искомые коэффициенты, причем ф, — заданный.момент . времениу а (-"ф,.) - тепловой поток на внез ней поверхности.пласти-. ны в момент 3<

Погрешность результата косвенных измерений искомых коэффициентов .в (2) определяется по формуле

2 еа

1 1аэ,к

h(huCugul ЪЭС> ) > 2дтЕЙО(. — „.. ф Е в

Ђ”1" (8) и ( 2а ",Р и д 1.ьф, „1

4ф< — погрешность измерения

5 момента времени достижения заданного соотношения температур в фиксируему точках.

Поскольку сигнал от термопреобразователя, расположенного в плоскости

10 контакта тел, усиливается в и. раз и подается на сравнение с сигналом второго термопреобразователя, расположенного на поверхности пластины, то результат сравнения (момент времени

) имеет погрешность t я кТ,где ьТ вЂ” абсолютная погрешность измерения температуры поверхности тел. Погрешность результата измерения ис-. комых коэффициентов в предлагаемом способе определяется выражением

2д u,т1(- 6,, 1 ь(Ъ„С. „) к, ф(-а,-.,)) (9) с где (.4(" Т4- погрешность измерения теплового потока.

Поскольку погрешность измерения теплового потока и температуры по верхности тела одного порядка, т.е.

30 аТ = atq j-х,,)) а коэффициенты влияния в формулах (8) и (9) близки для различных значений входящих в них параметров, то погрешность измерения искомых коэффициентов в предлагаемом способе значительно меньше.

Кроме того, в предлагаемом способе устраняется погрешность о контактного термосопротивления между термо40 .преобразователем и исследуемым телом, величина которой для шгрокого класса твердых материалов составляет 40-50%, что также повышает точность результатов измерения.

Предлагаемый способ, заключающийся в измерении теплового потока в заданный момент времени на поверхности пластины из эталонного материала, приведенной в тепловой контакт и ис50 следуемым телом, позволяет оперативно и точно определить теплофизичес- . кие свойства исследуемых материалов без нарушения их целостности и установки на них датчика температуры, 55"что особенно важно при массовом конт. роле образцов. Кроме того, предлагае мый способ не требует сложного приборного оборудования и может быть осуществлен непосредственно на про60 изводстве или технологической линии.