Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов

 

СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕШЮФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ , заключающийся в том, что измерительный зонд нагревают выше начальной температуры исследуемого , тела, размеры которого превышают глубину проникновения температурного поля за время измерения, прижимают контактной поверхностью к плоской поверхности исследуемого тела и измеряют в определенные моменты времени мгновенные значения неустановившегося теплового потока, поступающего в тело из измерительного зонда, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических свойств и сокращения времени измерения, после помещения измерительного зонда на тело нагревают измерительный зонд по интегрально-дифференциальному закону регулирования в зависимости от изменения теплового потока во времени, W . фиксируют скорость изменения теплос вого потока во времени в момент достижения им половинного значения теплового потока от максимального , фиксируют максимальный тепловой поток и. максимальную скорость ю уменьшения теплового потока во времени и по полученным даиньм судят о контактном термосопротивлении, термосопротивлении и теплоемкости материала.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„„Я0„„1270661

1511 4 G 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

C ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2) ) 3785397/24-25 (22) 04.06.84 (46) 15.11.86. Бюл. Ф 42 (71) Институт технической теплофизики АН УССР и Опытное конструкторско-технологическое бюро с экспериментальным производством теплофиэического приборостроения Института технической физики АН УССР (72) В.В.Платонов, Ф.Ф.Леженин, В.И.Бержатый, Б.В.111апошников, В.П.Никитский, В.В.Дымченко, А.А.През и И.А.Звиргзде (53) 536.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 458753, кл. G 01 N 25/18, 1972.

Коннов В.В. и др. Исследования контактного метода тепловой дефектоскопии. Промышленная теплотехника

1981, М 2, с.103-107.

Авторское свидетельство СССР

У 857826, кл. G 01 N 25/18, 1979. (54)(57) СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в том, что измерительный зонд нагревают выше начальной температуры исследуемого тела, размеры которого превышают глу. бину проникновения температурного поля за время измерения, прижимают контактной поверхностью к плоской . поверхности исследуемого тела и измеряют в определенные моменты времени мгновенные значения неустановившегося теплового потока, поступающего в тело из измерительного зонда, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических свойств и сокращения времени измерения, после помещения измерительного зонда на тело нагревают измерительный зонд по интегрально-дифференциальному закону регулирования в зависимости от изменения теплового потока во времени, фиксируют скорость изменения теплового потока во времени в момент достижения им половинного значения теплового потока от максимального, фиксируют максимальный тепловой поток и максимальную скорость уменьшения теплового потока во времени и по полученным данным судят о контактном термосопротивлении, термосопротивлении и теплоемкости материала.

1270661 / (2) 45

55

Изобретение относится к исследованию физических свойств веществ, а именно к измерению термосопротивления и теплоемкости материалов, иэ которых изготовлено исследуемое тело, и может быть использовано в теп1 лофизическом приборостроении.

Цель изобретения — повьппение точности определения теплофизических свойств материала и сокращение времени измерения.

На фиг.1 приведен график изменения теплового потока Н, поступающего из зонда в исследуемое тело; на. фиг.2 — структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Тепловой импульс, входящий в материал (фиг.1), характеризуется максимальной величиной импульса Н„„, скоростью нарастания переднего фронта— темпом изменения Й теплового потока в момент достижения им половинного значения от максимального, максимальным темпом уменьшения Й и характер2 ными опорными точками на осях координат графика: Н вЂ” поток короткого зал мыкания датчика; — постоянная датчика; Т, — время в момент достижения максимальной величины Н„„ Н„ установившийся тепловой поток.

Устройство (фиг.2) для осуществления способа комплексного определения теплофизических свойств материалов состоит иэ зонда 1 в виде цилиндрического металлического стакана с круглой плоской контактной поверхностью, на которой укреплен теп.ломер 2, прижатый к поверхности исследуемогс тела 3 Внутри зонда вмонтированы реэистивный нагреватель 4 и термопара 5 начальной температуры зонда, Термопара подключена к блоку 6 задания начальных значений режимов, соединенному с усилителем 7 мощности источника питания резистивного нагревателя. Второй вход усилителя 7 мощности подсоединен к выходу решающего блока, а именно к интерфейсу 8 микропроцессора 9. К тепломеру 2, подключены входы дифференциатора 10 и компаратора 11, выходы которых соединены с интерфейсом 8.

Выходы интерфейса подключены к усилителю 7 мощности и регистрирующему прибору 12. В комплект решающего блока входит также постоянное запоминающее устройство 13.

Способ осуществляется следующим образом.

К плоскому участку исследуемого тела прижимают контактной поверхностью зонд,„ предварительно нагретый на 10-20 К выше начальной температу.ры материала, измеряют через равные промежутки времени Т мгновенные зна- чения неустановившегося теплового !

О потока Н, определяют текущее отклонение е (nT) от установившегося значения по формуле е (пТ) =Н-Ня + О, 56R + Н i 8 (1) По формулам интегрально-дифферен15 циального закона регулирования рассчитывают управляющий сигнал y(nT) .у (n T) = х <, пТ) + е (n T), где x(nT)= е х((п-l) Т) +

+ — --(1-е ) е ((n-1) Т) °

-5T

S 1

Z u S — параметры фильтра интегрально-дифференциального

25 закона регулирования с передаточной функцией (P+Z) / (P+S)

Р— переменная преобразования

Лапласа, с

ЗО Управляющий сигнал y(nT) подают при очередном измерении на вход усилителя мощности резистивного нагревателя зонда. Вычисляют темп измерения во времени Й, мгновенную величину которого Н фиксируют

1 для момента времени, когда Н— равно Н„,/2 (половина максимальной величины теплового импульса). Затем фиксируют максимальные тепловой поток Н .и темп уменьшения Н тепло вого потока.

По формулам

R<= 0,2 Н>R>/(Н, 1. ); с.— сз/ 0 43(Н < ) ), где R< — контактное термосопротивление, К/Вт;

К вЂ” термосопротивление материала, к/Вт; с — теплоемкость материала, Дж/К;

Н вЂ” тепловой поток зонда в режиЧ ме короткого замыкания по тепловому потоку при заданном превышении температуры зонда относительно температуры материала, Вт;

1270бб(4 (тепловой поток короткого замыкания зонда определяется экспериментазп но или теоретическим рассчетом), К,1 (термосопротивление зонда), (постоянная времени зонда), а также параметры интегрально-дифференциального фильтра (P+Z)/(P+S) а именно — постоянная переходного процесса зонда в отсутствии петли автомати— ческого управления, определяется по форме характеристики процесса, опи-. сываемого операторным уравнением

Н(р) = -). /(P(P+Z)), да, с; термосопротивление зонда, К/Вт; максимальное значение им- 5 пульса теплового потока,Вт; темп изменения теплового

Н

1 потока во времени, когда тепловой поток равен 0,5 Н,„

Вт/с;

Н вЂ” максимальный темп уменьше2 ния теплового потока Вт/с, рэссчитывают термосопротивление R и R è теплоемкость со. 15

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом, Включают устройство и блоком 6 начальных установок устанавливают на зонде 1 превышение температуры 8, равное 10-20 К.Затем зонд прижимают к поверхности исследуемого тела 3. При этом начинает расти тепловой поток, поступающий в исследуемое тело, мгновенные значения его обраба25 тываются в дифференциаторе 10 и компараторе 11, например, аналоговых, и поступают через интерфейс 8 и микропроцессор 9, который согласно алгоритму программы, заложенной в постоянном запоминающем устройстве 13,рассчитывает по темпу изменения Й для каждого момента иТ контактное термосопротивление R< и поправку y(nT) для петли автоматического управления,35 подаваемую на управляющий вход усилителя 7 мощности реэистивного нагревателя 4. В момент, когда величина теплового потока Н достигает половинного значения от максимального запоми- 40 нающее устройство фиксирует рассчитанное R„.

По достижении по кривой переход-. ного процесса максимального темпа снижения Н,.теплового потока соглас.45 но команде условного перехода операнд Й>, записываются в регистр общего назначения микропроцессора 9 и рассчитываются термосопротивление и теплоемкость С исследуемого тела, 50 результаты расчета подаются на регистрирующий прибор 12, например, на цифровой индикатор.

Для работы устройства необходимо ввести в постоянное запоминающее устройство 13 параметры зонда Н

55 (<) — временная постоянная эонгде P — переменная преобразования

Лапласа;

Н(р) — изображение переходного теплового процесса зонда в режиме короткого замыкания по тепловому потоку; !

0,,2 — постоянние переходные процесса, с= .

Выбор параметров О и l фильтра в условиях переменных свойств исследуемых материалов может быть произведен приближенно. Вполне достаточно принять

ы.=1/ò,; 2= 2У (/т,) -1/Т,; 5=<0Z, (5) ,где T — время установления максимального значения Н зонда при коротком замыкании теплового потока (фиг.l) .

За ориентировочное расчетное значение Т можно принять момент достижения максимума Н,, при приведении зонда в контакт с исследуемым телом.

В основу способа положен экспериментально установленный факт, что кривая на фиг.1 с точностью не ниже IX (что достаточно для решения большинства теплофиэических задач) может быть описана уравнением, содержащим; например, две константы, характеризующие зонд, и три параметра исследуемого тела, а именно, его контактное термосопротивление R и эффективные стационарные термосопротивления R и теплоемкость с

Р„и с являются параметрами исследуемого полуограниченного тела для данных контактной поверхности зонда и закончившегося переходного теплового процесса. Например, в операторной форме переходной процесс изображается формулой

5 12706 где Й вЂ” скачок температуры по отношению к начальной температуре исследуемого тела в месте контакта с зондом (10-20 К), В способе выбирают критические

5 точки переходного процесса: крутизну фронта импульса теплового потока, его максимальное значение и темп уменьшения величины, и не ожидая окончания переходного процесса, опре- 1О деляют теплофизические параметры исследуемого тела по известным характеристикам зонда.

В общем случае точность измерений будет тем вышее, чем ближе пос- 15 тоянная теплоемкость зонда с к теплоемкости с,, измеренной устройством. Область исследуемого материала, участвующая в тепловом переходном процессе выравнивания скачка темпе- 2Q ратуры зонда; определяется объемом сферы с радиусом контактной поверх.ности зонда. Материалы в виде пластины толщиной меньше радиуса контактной поверхности зонда требуют ннесе- 25 ния в результат поправки на влияние толщины материала. Это необходимо учитывать при рассчете удельной теплоемкости с, теплопроводнос.ти 3 по К и с материала. Удельные харак-ЗО теристики можно рассчитать,например, j по уравнениям с = 3 R,ñ,/(47iFr ) где r — радиус контактной поверхности м

У- плотность материала, кг/м

Р,P — корни знаменателя уравнения 40 (6) переходного процесса н операторной форме.

В конструкцию зонда могут быть введены медно-константановая термопара 5 и тепломер 2 на основе бата- 45 рейного термоэлектрического датчика.

Резистивный нагреватель 4 изготавливают, например, из нихромовой проволоки в виде спирали Архимеда размером равным диаметру таблетки бата- 50 рейного термоэлектрического датчика (12-20 мм). В качестве усилителя мощности можно применять тиристорный выпрямитель, управляемый по фазовому углу отпирания переменного тока. 55

Пример. Для измерения теплофиэических свойств мраморной пластины необходим комплект приборов,,со61 Ь держащий зонд 1, источник питания

Б-27 и дна милливольтметра на 10 и 50 мВ. Зонд 1 выполнен н виде алю. миниеного стакана диаметром 18 и высотой 36 мм, в котором размещены резистивный нагреватель 4 из нихромовой проволоки с сопротивлением

28 Ом с закрепленным в его центре горячим спаем медно-константаноной термопары и тепломер 2 (батарейный термоэлектрический датчик с постоянной преобразования 10 Вт/В). Первый милливольтметр проградуирован в единицах температуры (К) нагревателя 4 и подключен к термопаре 5, второй— в единицах мощности (Вт) нагревателя 4 и подключен к тепломеру 2. Чтобы устранить влияние толщины мраморной пластины на результаты измерения, выбирают ее больше радиуса зонда, т.е. 10 мм.

При такой толщине материала время установления динамического равновесия теплового потока больше минуты.

Постоянная времени зонда (для обеспечения l точности) должна быть этого порядка, например 91 с, а промежутки между измерениями 10 с. Для материалов с теплопроводностью мра мора мощность нагревателя в установившемся режиме и температуре на 20 К больше, чем начальная температура мрамора, составляет 2 Вт. Зонд, обеспечивающий мощность нагрева

2 Вт, имеет термосопротивление

R. 31,25 К/Вт и его тепловой поток короткого замыкания равен Н = 5,6 Вт.

Параметр S в уравнении (2) интегрально-дифференциального закона регулирования н соответствии с оценкой по формуле (5) может быть взят равным

0,1 с. Поэтому уравнение (2) принимает вид у (l0n) =: х (10п) + е (10n), где х(10n) =: 0,37 х(10(п-1)) — 0,63 е(10(п-1)); п — порядковый номер измерения.

По предлагаемому способу комплексного определения теплофизических свойств материалов измеряют в очередной (каждые 10 с) момент времени величину теплового потока Н; опре— деляют отклонение от установившейся величины теплового потока e(10n).

По формуле .(2) определяют управляющий сигнал у(ГОп), зная текущее

e(l0n) и предыдущие результаты рас1270

7 чета x(10(n-1)) и e(10(n-!)). По истечении 10 с (непосредственно после измерения мощности тепловогр потока Н ) изменяют тепловой поток на величину y(10n), регулируя напряжение на источнике питания Б-27 и контролируя мощность зонда по тепломеру 2. Вычисляют темп измерения теплового потока Н как разность ближайших показаний тепломера. В момент. когда темп уменьшения теплового потока максиманен, измерения закончены.

Определяют максимальное значение

Н, темп изменения при Н /2 и максимальный темп уменьшения и рассчиты- 15 вают контактное термосопротивление

R<,термосопротивление К и теплоемкость с по формулам (3).

При Н,„= 2,8 Вт, Й„= 0,077 Вт/с, Й = 0,009 Вт/с получают К„ = 20

= 5 К/Вт, R = 52,1 К/Вт, с

= 4,66 Дж/К.

Чтобы определить удельные тепло° проводность и теплоемкость, рассчитывают корни знаменателя уравнения 25 (6), которые в примере равны

661, 8

Р = 0,031 Р .= 0,026.

Затем по уравнениям (7) рассчитывают теплопроводность 1 = 3,62 Вт/

/(м.к.) и теплоемкость с = 894 Дж/

/кг К (в расчетах принято 2 r

l8 мм; = 2900 кг/м ).

В способе комплексного определения теплофизических свойств материалов и устройства его осуществления время измерения сокращено как за счет устранения измерений стационарного потока закончившегося переходного процесса, так и за счет введения отрицательной обратной связи по цепи тепломер — нагреватель, что уменьшает время переходного процес-. са в 2 раза для случая минимальной погрешности зонда, когда постоянная зонда > равна R с, .Корректировка результатов расчета, учитывающая контактное термосопротивление К„, позволяет применять предлагаемое изобретение для измерения теплофизических свойств тел с проводимостью материала до 500 Вт/мК, с относительной погрешностью не больше 57.

Т

Фиг. f

1 270661

Составитель В.Битюков

Редактор И.Касарда Техред М.Ходанич Корректор JI. Пилипенко

Заказ 6236/46 Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæroðîä, ул. Проектная, 4