Способ определения теплофизических характеристик материалов /его варианты/

 

1. Способ определения теплофизических характеристик материалов, по которому на поверхность исследуемого и эталонного образцов, находяпщхся в тепловом контакте, воздействуют синусоидальными тепловыми потоками, регистрируют разность фаз и амплитуды тепловых потоков на поверхностях образцов , противолежавщх поверхностям, подвергаюпщмся воздействию тепловых потоков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения определения, синусоидальньА тепловой поток -подают в плоскость теплового контакта образцов , увеличивают его частоту до нулевой разности фаз между синусоидами тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образцы , после чего коэффициент температуропроводности и теплоемкость опре . деляют по формулам , шсЛ-,, а, . 1 ( « .Р згэ где к U) 2а f,.. j; толпщна соответственно исследуемого и эталонного образцов-, АЛ амплитуда соответственно синусоидальных тепловых , потоков через иследу емый и эталонный образцы , - коэффициенты ж емперату н ропроводности соответственно исследуемого и эталонного образцов с, теплоемкость соответ И ственно исследуемого и эталонного образцовj U) круговая частота; Яэ плотность соответственРм но исследуемого и эта лонного образцов. 00 00 . 2, Способ определения теплофизических характеристик матерчалов, по сд которому на поверхность исследуемого и эталонного образцов, находящихся INU. в тепловом контакте, роздейств тот сд синусоидальными тепловыми потоками , регистрируют разность фаз и амплитуды тепловых потоков на поBepxHocTjrx образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию тепловых потоков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения определения синусоидальный тепловой поток подают в плоскость теплового контакта двух исследуемых образцов различной толщяны tf и «, ,

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) С 01 N 25 18 с„ „=с,, где

Кк1 о

ГОСУДАРСТ8ЕККцй КОМИТЕТ СССР

nO PE AM ИЗОБРЕТЕКИЙ V ОТКРЫТИЙ (21) Зб45637/24-25 (22) 12.08.83 (46) 07.01.85. Бюл. Р 1 (72) А.И.Шевченко, Э.В.Осипов, Н.И.Шут, В.Л.Найдек и В.П. Дущенко (71) Институт проблем литья

АН Украинской ССР (53) 536.6(088.8) (56} 1. Авторское свидетельство СССР

В 771518, кл. G 01 И 25/18, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР

1Ф 748207, кл. G 01 N 25/18, 1980 ..(прототип).

i(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИ1 ЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (ЕГО

ВАРИАНТЫ) . (57) 1. Способ определения теплофизических характеристик материалов, по которому на поверхность исследуемого и эталонного образцов, находящихся в тепловом контакте, воздействуют синусоидальными тепловыми потоками, регистрируют разность фаз и амплитуды тепловых потоков на поверхностях образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию тепловых потоков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения определения, синусоидальный тепловой поток подают в плоскость теплового контакта образцов, увеличивают его частоту до нулевой разности фаз между синусоидами тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образцы, после чего коэффициент температуропроводности и теплоемкость опре. деляют по формулам д2 и

2 г{2Г+ к1

„„Я0„, 1133525,d" — толщина соответственно исследуемого и эталонного образцов;

А„, А — амплитуда соответственно синусоидальных тепловых потоков через иследу— емый и эталонный образцы, а, а - коэффициенты гемпературопроводности соответственно исследуемого и эталонного образцов;

Сд, С вЂ” теплоемкость соответ-. ственно исследуемого и эталонного образцов; м — круговая частота, рц, р — плотность соответственно исследуемого и эталонного образцов.

2. Способ определения теплофизи- . СФ ческих характеристик матер алов, по фф которому на поверхность исследуемого и эталонного образцов, находящихся ф } в тепловом контакте, воздействуют Сл синусоидальными тепловыми потоками, регистрируют разность фаз и амплитуды тепловых потоков на поверхностях образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию тепловых потоков, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с " целью повышения точности и ускорения определения синусоидальньщ тепловой поток подают в плоскость теплового контакта двух исследуемых образцов различной толщины и д"

1133525

Р к= 1, "2 где после чего теплофизические характеристики материала определяют по фор мулам (W )2„, м

8Т2

42

Я р > (к ) и — термическое сопротив-, ление„ датчика теплового потока, 5 — площадь образца.

Изобретение относится к области тепловых измерений, в частности к способам определения теплофизических характеристик материалов, и может быть использовано для определения коэффициента температуропроводносTH и теплоемкости любых. материалов (полнмерных,. строительных материалов,, жидкостей и др.) как в лабораторной, так и в производственной практике. 1п

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, при котором образец исследуемого и эталонного материала приводят в тепловой контакт по -плоскости, размещают в этой плоскости нагреватель; подводят к нагревателю постоянную мощность и.регистрируют изменение . температуры и время достижения максимума температуры Р1 3.

Однако этот способ не обеспечивает высокой точности, так как необходимо измерять несколько парамет- . ров процесса, а именно температуру и время, что вносит дополнительные 25 погрешности. Кроме того, в этом способе вносится дополнительная погрешность за счет инерционности нагр евателя.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ опред ления температуропроводности и теплоемкости, заключающийся в воздействии синусоидальными тепловыми потоками на поверхность исследуемого образца, находящегося в тепловом контакте с эталоном, регистра ции сдвига фаз, амплитуды и последующего определения теплофизических характеристик по известным формулам (2).

Однако известный способ не обеспечивает требуемой точности, что обусловлено необходимостью измерять фазы тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образ-, ! цы. Для этого необходимо иметь два регистрирующих прибора. Кроме того, обязательно наличие эталонного образца, а его присутствие вносит погрешность, которая возникает в процессе градуировки. Способ реализован только для высоких температур (вьппе 1200 С), так как все расчетные формулы выведены из анализа лучистого теплообмена, который становится существенным только при высоких температурах. При понижении температуры измерение точности уменьшается.

Целью изобретения является повышение точности и ускорение определения теплофизических характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических характеристик материалов, включающий использование исследуемого и эталонного образцов, приведенных в тепловой контакт, состоящему в том, что па поверхность исследуемого и этапонного образцов воздействуют синусоидальными тепловыми потоками, регистрируют разность фаз и измеряют амплитуды тепловых потоков на поверхностях образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию тепловых потоков, синусоидальный тепловой поток подают в плоскость теплового контакта образцов, увеличивают его частоту до нулевой разности фаз меж:ду синусоидами тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образцы, после чего коэффициент температуропроводности и теплоемкость определяют по формулам

Ш С ",, где

", - толщина исследуемого и эталонного образцов;

113

А А — амплитуды соответствени э но синусоидальных тепловых потоков через исследуемый и эталонный образцы; а„, а — коэффициент температуропроводности соответственно исследуемого и э тало ни ог о образ цов, С С вЂ” теплоемкость соответи Э ственно исследуемого и эталонного образцов, ш — круговая. частота, р у — плотность соответственги тз но исследуемого и эталонного образцов.

Согласно способу по второму вар ианту синусоидальный тепловои поток пбдают в плоскость теплового контакта двух исследуемых образцов различной толщины с „ и с „после чего теплофизические характеристики материала определяют по формулам

Э характеристика эталона, .а„, — коэффициент температуро15 проводности соответственно исследуемого и эталонного образцов, d" d" — толщина соответственно исИ 9 следуемого и эталонного

20 образцов.

Теплоемкость определяется по фор(2) где А А - соответственно амплйи Э

25 туды исследуемого и эталонного образцов.

Способ по второму варианту состоит в том, что нагреву синусоидальными тепловыми потоками подвергаются два исследуемых образца разной толщины д",д" теплофизические характеристики определяются по формулам

4 = (3)

Y+ 4 и -2

d к=, г где

1 (У1 )ДМ2(1Р 5

Ы"„

К

40  †термическое сопротивление датчика теплового потока, 8 — площадь образца.

Способ определения коэффициента температуропроводности и теплоем45 кости по второму варианту состоит

s следующем.

Вместо эталона берется исследуемый образец..Добиваются, чтобы

М=2Л. После чего образец предпочтительно брать правильной формы, если исследуется жидкость, то ее помещают в кювету. Затем с помощью датчиков теплового потока измеряют синусоидальные тепловые потоки, регулируют сигналы датчиков. Увеличивая частоту нагрева, добиваются уменьшения сдвига фаз до нуля, и зная толщину образцов, вычисляют коэффи- .

" вГ "" y,- л„A, -n>a

9 — термическое сопротивление

% датчика теплового потока, — площадь образца.

На фиг.1 схематически изображен пример реализации предлагаемого способа:, на фиг.2 — диаграмма тепловых потоков, проходящих через исследуемый и эталонный образцы.

На фиг.1 обозначены верхний холодильник 1,верхний датчик 2 теплового потока, исследуемый образец 3, нагреватель 4, эталонный образец 5, нижний датчик 6 теплового потока, нижний холодильник 7.

На фиг.2 изображены синусоидальные тепловые потоки, проходящие через исследуемый 8 и эталонный 9 образцы. А и А — соответственно

1 2 амплитуды тепловых потоков.

Определение коэффициента температуропроводности и тенлаемкостипроизводится следующим образом.

С помощью нагревателя (любого типа), приведенного в контакт с исследуемым и эталонным образцами, создают в них синусоидальные тепловые потоки. Увеличивая частоту нагрева, д6биваются, чтобы !LY=2II, после

3525 4 чего теплофизические характеристики определяют по формуле ,„г и

2(27i+ k ) где < — круговая частота; д „ — толщина исследуемого образца

2 л — сдвиг фазы между тепловыми потоками; где a< = д1, - средняя температура соответственно образца и эталона.

Величины („ и (можно получить, 5 интегрируя тепловой поток за период от 0 до У

@и= А„s ыr d

" Ç î | сй, (12}

3 1133525 циент температуропроводности по фор-. муле (1), а теплоемкость по.форму( ле (2) .

Расчетные формулы получены из следующих условий.

Температура нагревателя 1 и те1 пловой поток в верхней ветви моста связаны между собой посредством перецаточной функции К„

<„=q,.к„. (s>- .

Аналогично связаны температура нагревателя и тепловой поток на вых од е нижн ей и етви

«1," 7 К. (6j

2 2

2 2

) (Ь) Ч

Прологарифмировав равенство (3) с учетом (4) и (5) и приняв величиЬ М = 2

-% „Ф

Откуда определяется коэффициент темпаратуропроводности, Таким образом, для определения коэффициента температуропроводности по предлагаемому способу достаточно зпать круговую частоту, толщину датчика теплового потока.

Тйплоамкость определяется следующим образом. Количество тепла, заключенное в верхней полуволне синусоиды образца и эталона, соответственно равно В =Сир„ ф у

63" СЗУ, Д1,Е У,, (1.1 где

Поскольку температурные перепаы я эталонных и исследуемых образцах одинаковы (источник и приемник ! тепла один и тот же), то, = „и, поделив выражение (5) на (6), полуЗ - (и

Передаточные функции образцов

I(и 1(для гармонического нагрева с

1 точностью до 0,5Е записываются в .виде о

Приняв (9) и (11), (10) и (12) и поделив полученные равенства одно

15 на другое, получим (2) . Вычтя полученные равенства и проведя неслож-ные преобразования, получим формулу (4) для определения теплоемкости.

Проведенные измерения при нулевой

20 разности фаз между синусоидами теплового потока позволяют избежать погрешности измерения величины сдвига фаз. При этом удешевляется экспериментальная установка. Использование

25 двух исследуемых образцов позволяет уменьшить погрешность измерения благодаря отсутствию погрешности эталона. Одновременно упрощаются расчетные формулы.

3Q Пример расчета коэффициента теплопроводности оптических стекол К-8 толщиной 8 =8 мм, с „ =2 мм. Круговая частота нагрева ы =1,38, а период .27

По формуле (3) получаем a„=

= 6,3 10 "м /с, что соответствует табличным данным для стекла К-8 при температуре 273 К. При этом предельная относителЬная погрешность по предлагаемому способу (при доверительной вероятности 0,95) определения коэффициента температуропроводности и теплоемкости составляет

+2,57., а по известному способу +10X, т;е. погрешность уменьшается в

4 раза.

Предлагаемый способ значительно повышает точность и одновременно упрощает процесс определения коэффи- циента температуропроводности и теплоемкости.

1133525

Составитель В.Гусева

Редактор А.Шинкина Техред Т.Дубнн ак коРРектоР Л. Пилипенко

Заказ 759 Тираж 898

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4