Способ определения теплофизических свойств материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использ.овано для комплексных измерений теплофизических свойств материалов (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности) в широком диапазоне температур. Целью изобретения является повьшение точности определения ТФС материалов и расширение функциональных возможностей устройства. На рдну из поверхностей плоского образца в виде, неограниченной пластины воздействуют периодическим тепловым потоком. Измеряют его амплитуду и амплитуду колебаний температуры и ее среднее значение на противоположной нагреваемой поверхности образца По измеренным /значениям рассчитывают искомые свойства материала. Величину сдвига фазы Cf колебаний температуры на поверхности , противоположной нагреваемой , относительно колебаний теплового потока поддерживают постоянной путем изменения частоты колебаний теплового потока ц на величину лоз 5,76/(,3ср - 11,46 - 0,11)2 - IJco. Устройство содержит источник теплового потока, модулятор теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом источника теплового потока, формирователь, первый выход которого соединен с вторым входом модулятора, вакуумную камеру, оптически связанную с выходом модулятора и имеющую резистивный нагреватель , соединенный с блоком автоматического программного управле- .ния температу)Ой,. с датчиком температуры образца; измеритель фазы и амплитуды соединен с выходом датчика температуры и с вторым выходом формирователя, а регистратор соединен с первым выходом измерителя фазы и амплитуды. Оно дополнительно снабжено измерителем теплового потока и оптимизатором, причем вход измерителя теплового потока соединен с вторым выходом источника теплового потока, а выход - с третьим входом измерителя фазы и амплитуды, вход оптимизатора - с вторым выходом измерителя фазы и амплитуды, апервый и второй выходы - соответственно с входом формирователя и вторым входом регистратора. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. 3 (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИК (1% (11) (5Н 4 С 01 И 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ьй < °

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3757161/31-25. (22) 22.06.84 (46) 30..01.87. Бюл. У 4 (71) Опытное конструкторско-технолегическое бюро с опытным производством Института металлофизики АН УССР (72) В.В.Гетьман, Н.Е.Синицкий и А.Г.Олейников (53) 536.6(088.8) (56) Филиппов Л.П. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах. МГУ, 1967, с. 132-141.

Сопрунюк М.П., Коваль Л.А., Цыбульский В.С. Амплитудно-фазовые измерения в диапазоне инфранизких частот. Киев; Наукова думка, .1983,,с, 14-17. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для комплексных измерений теплофизических свойств материалов (теппоемкости, теплопроводности и температуропроводности) в широком диапазоне температур. Целью изобретения является повьппение точности определения ТФС материалов и расширение функциональных возможностей устройства. На рдну из поверхностей плоского образца в виде неограниI ченной пластины воздействуют периодическим тепловым потоком. Измеряют

его амплитуду и амплитуду колебаний температуры и ее среднее значение на противоположной нагреваемой поверхности образца. По измеренным значениям рассчитывают искомые свойства материала. Величину сдвига фазы (у колебаний температуры на поверхности, противоположной нагреваемой, относительно колебаний теплового потока поддерживают постоянной путем изменения частоты колебаний теплового потока на величину bÌ =

= Q5,76/(7,3 (p — 11,46 — 0,11)."

1 у. Устройство содержит источник теплового потока, модулятор-теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом источника теплового потока, формирователь, первый выход которого соединен с вторым входом модулятора, вакуумную камеру, оптически связанную с выходом модулятора и имекпцую резистивный нагреватель, соединенный с блоком автоматического программного управле- .,ния температурой, с датчиком температуры образца, измеритель фазы и амплитуды соединен с выходом датчика температуры и с вторым выходом формирователя, а регистратор соединен с первым выходом измерителя фазы и амплитуды, Оно дополнительно снабжено измерителем теплового потока и оптимизатором, причем вход измерителя теплового потока соединен с вторым выходом источника теплового потока, а выход — с третьим входом измерителя фазы и амплитуды, вход оптимизатора — с вторым выходом измерителя фазы и амплитуды, а первый и второй выходы — соответственно с входом формирователя и вторым входом регистратора, 2 с.п. ф-лы, .1 ил.

128697Ü первому выходу работу шагового двигателя в соответствии с требованиями к нему. Кроме того, в состав формирователя входит фотоэлектронный блок, вырабатывающий по второму входу формирователя непрерывно с частотой (д метки времени о, соответствующие моментам перехода потока лучистой энергии лазера через нуль, Исследуемый образец 5 имеет форму тонкого диска с отношением толщины к диаметру не менее 1:10 ° В качестве датчика 6 температуры может быть использована термопара тина BP5/20.

Роль вакуумной камеры 4 выполняет вакуумная печь типа СШВЛ в комплексе с регулятором температуры, например, <

BPT-3 и с программным задатчиком температуры. Измеритель 7 фазы и амплитуды выполнен в виде цифрового прибора. Оптимизатор 9 реализован в виде цифрового автомата, который производит вычисления по формуле и вырабатывает сигнал (цифровой код), по которому формирователь 3 выдает управляющее воздействие, пропорциональное частоте модуляции теплового потока, и на которой погрешности определения одновременно теплоемкости, температуро- и теплопроводности образца минимальны. Код, соответствующий начальному значению частоты колебаний теплового потока ы „ „ ноч хранится в памяти .автомата, З5 Устройство работает следующим образом.

В устройстве в качестве источника

1 теплового потока использован ОКГ . непрерывного действия типа ЛТН-102.

Модулятор 2 теплового потока выполнен в виде дискового обтюратора, посаженного на вал шагового двигателя,, скорость вращения которогд задает частоту модуляции теплового потока.

Формирователь 3 содержит генератор .кварцованной частоты, программируемый цифровым кодом таймер (например, микросхема КР580ВИ53), распределитель импульсов и усилители импульсов, d соединенные последовательно в порядке перечисления и обеспечивающие по

Изобретение относится к технической физике н может быть использовано для комплексных измерений теплофизических свойств (ТФС) материалов (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводностн) в широком диапазоне температур.

Целью изобретения является повышение точности определения ТФС материалов и расширение функциональных возможностей устройства.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство состоит из источника теплового потока, первый выход которого связан с первым входом модулятора 2 теплового потока, формирователя 3, первый выкод которого соединен с вторым входом модулятора 2 теплового потока, вакуумной камеры 4, снабженной фоновым нагревателем, подключенным к блоку автоматического прбграммного управления температуры (не показан), в которой установлен исследуемый образец 5, передняя сторона которого через вход вакуумной камеры 4 связана (оптически) с выходом модулятора теплового потока 2, а задняя сторона — с датчиком 6 температуры, выход которого подключен к первому входу измерителя 7 фазы и амплитуды, второй вход которого связан с вторым выходом формирователя

3, первый выход — с первым входом регистратора 8, второй выкод - с входом оптимизатора 9, а третий входс выходом измерителя 10 мощности теплового потока, вход которого свя.зан с вторым выходом источника 1 теплового потока, кроме того, оптимизатор 9 по первому выходу соединен с входом формирователя 3, а по второму — с вторым входом регистратора 8.

После достижения требуемых условий эксперимента (необходимой степени разрежения в вакуумной камере и температуры образца) по команде

tt I1

Пуск оптимизатор 9 в первом такте вырабатывает код, пропорциональный величине ц „», который с его первого выхода поступает на вход формирователя 3, а именно на вход программируемого таймера, который по данному сигналу формирует последовательность импульсов, приводящих по вращение со строго постоянной скоростью шаговый двигатель модулятора 2. Диск .модулятора 2 обеспечивает путем пе:риодического перекрытия пучка излу- ченйя ОКГ стопроцентную модуляцию теплового потока по амплитуде с заданной скважностью. Амплитуда потока определяется по сигналу измерителя 10 мощности излучения ОКГ, непрерывно поступающему по третьему

1286976 а(Т)

uP . ае (Т)— (2) с (т) — — 3 — = р (Т) а (Т) (3) f5 где а—

С вЂ”

Т (4) входу в измеритель 7 фазы и амплитуды. В моменты перехода потока лучистой энергии через нуль формирователь

3 -вырабатывает метки с„ времени, следующие с частотой у „ „ и поступающие в измеритель фазы и амплитуды по его второму входу. Модулированный поток лучистой энергии, взаимодействуя с передней поверхностью исследуемого образца 5, возбуждает в образце f0 колебания температуры, которые при помощи датчика 6 преобразуются в электрические сигналы, поступающие по первому входу в измеритель 7 фазы и амплитуды, где определяется амплитуда 0 и фаза ц> „ первой гармоники по отношению к меткам с„ времени, соответствующим фазе колебаний теплового потока на передней поверхности образца 5, а также сред- 20 няя температура Т образца. Кроме того,,измеритель 7 фазы и амплитуды, принимая по своему третьему входу сигнал от измерителя 10 мощности теплового потока, на основании известных параметров закона модуляции и значения с определяет амплитуду первой гармоники колебаний теплового потока Q . Измеренные укаэанным образом значения величин ц>„, „, 9 ; Т и 30

Я передаются по первому выходу в память регистратора 8, а значение величины (gòeö ю кроме того по второму выходу — в оптимизатор 9. Во втором такте оптимизатор 9 заново производит определение частоты М = И q q + .+h(D и если оно не отличается (в пределах погрешности измерения) m своего предыдущего значения, т.е.

6у = О, то по второму выходу формиру-40 ется сигнал разрешения регистрации значений Щ е„ ., 8 Т и Q. Указанная процедура повторяется заданное число раз для накопления и последующего усреднения результатов. По ее завер- 45 шению система задания температуры эксперимента получает от регистратора 8 сигнал на переход к следующему температурному уровню.

В случае, если определенное во 50 втором такте значение ы не соответст-, вует ранее установленному, разрешения на регистрацию у е, 6, Т, Ц не поступает, по соответствующему цифровому коду формирователь 3 выда-;55 ет новое управление на шаговый дви-. гатель модулятора 2 теплового потока. Процесс сходимостк, как правило,,не превосходит двух-трех шагов. По измеренным значениям q «, g, Т, Q с помощью регистратора 8 производятся вычисления ТФС исследуемого образца согласно выражениям результатов в требуемом виде: температуропроводность; т епл опр ов одност ь, теплоемкость при постоянном давлении, средняя температура образца; круговая частота колебаний теплового потока и температуры, амплитуда колебаний температуры; толщина образца, площадь|поверхности образца, подвергаемая воздействию модулированного .теплового потока, амплитуда колебаний теплового потока, плотность материала образца; — критериальная величина определяемая из уравнения

11 В (X)

g = — - + arctg

3

rAe(p — сдвиг фазы колебаний температуры на поверхности, противоположной нагреваемой относительно колебаний теплового потока;

3Е 9Е

А (зе) = Sh cos 2

В (ж) Ch т-, s in

В качестве регистратора .8 использован управляющий вычислительный комплекс СМ 1800 с периферийным оборудованием для визуализации и документирования результатов исследования.

Погрешности измерения ТФС можно оценить, принимая для упрощения, что относительные погрешности изме128

6976

f5 потока на величину, регистратора.

5 рения Щ/Q, ь 9 /8, iq /(р величины пос тоянные.

Рассмотрим зависимость погрешностей,aa/а,fI> / y и аС /С от критериальной величины аь Анализ соотношения показывает, что Ъа/а монотонно, уменьшается с увели чением Ж и начиная со эначенияЗе "- 2, изменяется незначительно. Анализ ь4 зависимости коэффициента при — от (g

Х в соотношении показывает, что он достигает минимума при у,„ = 2,4.

Отсюда следует, что минимум погрешностей измерения ТФС достигается, когда критериальная величина ж равняется 2,4, а оптимальное значение сдвига фазы равно с,„, = 2,46 рад.

Используя исходные данные. предыдущего расчета погрешностей измерения ТФС, вычислим эти погрешности для случая я ц ду

Корректирующую поправку к частоте модуляции температуры на поверхности, противоположной нагреваемой, относительно колебаний теплового потока, нагревающего исследуемый образец, поддерживают постоянно путем изменения частоты колебаний теплового где (а - частота теплового потока

Ч вЂ” угол сдвига фаз.

Коррекция частоты модуляции (с целью поддержания сдвига фазы на постоянном уровне) обеспечивает в данном способе и устройстве повышение точности определения ТФС приблизительно в 2,5 раза.

Формула изобретения

1. Способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийся в том, что на одну из поверхностей плоского образца, имеющего форму неограниченной пластины, воздействуют периодическим тепловым потоком, измеряют его амплитуду, а также амплитуду колебаний температуры и ее среднее значение на поверхности образца, противоположной нагреваемой, и сдвиг фазы колебаний температуры относительно колебаний теплового потока, по которым рассчитывают теплофизические свойства материала, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, величину сдвига фазы колебаний температуры на

fO поверхности образца, противоположной нагреваемой относительно колебаний теплового потока, поддерживают постоянной путем изменения частоты колебаний теплового потока на величину где о — частота теплового потока, 4 — - угол сдвига фаз.

2. Устройство для определения тепе лофизических свойств материала, содержащее источник теплового потока, модулятор теплового потока, первый вход которого соединен с первым выг5 ходом источника теплового потока, формирователь, первый выход которого соединен с вторым входом модулятора,. вакуумную камеру, оптически связанную с выходом модулятора и имеющую резистивный нагреватель, соединенный

-с блоком автоматического программного управления температурой, с . датчиком температуры образца, изме- ритель фазы и амплитуды, первый

З5 вход которого соединен с выходом датчика температуры, а второй вход— с вторым выходом формирователя, регистратор, первый вход которого соединен с первым выходом измерителя

4О фазы и амплитуды, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических свойств материалов, оно снабжено измерителем теплового потока и опти 5 мизатором, причем вход измерителя теплового потока соединен с вторым выходом источника теплового потока, а выход — с третьим входом измерителя фазы и амплитуды, вход оптимиза5О тора соединен с вторым выходом измерителя фазы и амплитуды, а первый и второй выходы — соответственно с входом формирователя и вторым входом

1286976

Составитель В.Гусева

Техред, Л.Олейник Корректор А.Тяско

Редактор Н,Слободяник

Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Эаказ 7706/43

Производственно-полиграфическое предприятие, г ° Ужгород, ул. Проектная, 4