Способ измерения коэффициента температуропроводности материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения коэффициента температуропроводности низкотемпературопроводных материалов , в том числе диэлектрических, не допускающих значительный перегрев контролируемых образцов. Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициента температуропроводности диэлектрических материалов с низкой теплопроводностью. Способ измерения коэффициента температуропроводности диэлектрических материалов основан на возбуждении плоской температурной волны в образце в виде неограниченной пластины. Проводят измерения отношения амплитуд температурной волны на поверхности образца . Частоту температурной волны устанавливают равной значению, при котором длина температурной волны становится равной толщине контролируемого образца материала. Искомый коэффициент температуропроводности определяют по соотношению а S F/4 п , где - толщина образца, F - частота температурной волны. Предложенный способ позволяет точнее и проще проводить измерения температуропроводности диэлектрических материалов. с (Л N5 QD О5 О а „А.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СООИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (!9) (11) Ol (51) 4 С 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ДBTOPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3879635/31-25 (22) 08.04.85 (46) 28.02.87. Бюл. 11 - 8 (71) Киевский технологический инсти— тут легкой промышленности (72) С.М.Константинов, В.А.Скрипник, В.И. Водотовка, В. С.Шевелюк и Л.А. Глазков (53) 536.6(088.8) (56) Филиппов JI.Ï. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов, N.: МГУ, !967, с. 129-130.

Филиппов Л.П. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов.

М.: МГУ, 1967, с. 46-47. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения коэффициента температуропроводности низкотемпературопроводных материалов, в том числе диэлектрических, не допускающих значительный перегрев контролируемых образцов. Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициента температуропроводности диэлектрических материалов с низкой теплопроводностью. Способ измерения коэффициента температуропроводности диэлектрических материалов основан на возбуждении плоской температурной волны в образце в виде неограниченной пластины. Прово- дят измерения отношения амплитуд температурной волнына поверхности образца. Частоту температурной волны устанавливают равной значению, при котором длина температурной волны становится равной толщине контролируемого образца материала. Искомый коэффициент температуропроводности определяют по соотношению а = 0 F/4 é, где 3 толщина образца, F — частота температурной волны. Предложенный способ позволяет точнее и проще проводить измерения температуропроводности диэлектрических материалов.

12936

О6 2 (— коэффи««ие««т тек««иератур «про-

4« — ? /, /

3 —,-- = 2 откуда

S5 где 6, — температура на нагреваемой поверхности {Х=О); круговая частота температурной волны; 2

Q = ---- F

Д«

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения ко=«. !фициента температуропроводности низкотемпературопроводных материалов, не допускающих значительного перегрева контролируемых образцов, Цель изобретения — повь«шение точности измерения коэффициента температуропроводности материалов с низкой теплопроводностью.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для осуществле— ния способа измерения коэффициента температуропроводности материалов.

Устройство содержит регулируемый по частоте первый низкочастотный генератор 1, модулируемый по напряжению источник 2 питания плоского малоинерционного нагревателя 3„ который установлен на поверхности контролируемого образца 4.

Нагреватель 3 термоизолирован оболочкой 5. Температура ненагреваемой 25 поверхности образца измеряется термопреобразователем 6 с термочувствительным элементом. Выходной сигнал переменного тока термопреобразователя 6 усиливается усилителем 7 низ- 30 кой частоты, выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 8, на опорный вход которого через удвоитель 9 частоты и фаэовращатель 1С поступает сигнал удвоенной частоты генератора 1. Выходной сигнал фазочувствител,— ного выпрямителя 8 регистрируется индикатором 1). Измеритель 12 отношения частот, например электронно-счетный частотомер, первым входом соеди- 1(1 нен с выходом удвоителя 9 частоты, а вторым — с выходом низкочастотного генер тора 13, выход его соединен с цифровым индикатором 14.

Сущность способа заключается в следующем. В отс гствие переменной составляющей теплообмена с окружающей средой плоской пластины., в которой возбуждается температурная волна, распределение температуры 9 вдоль gG оси координат Х, перпендикулярной пластине, описывается выражением ,1,", х

9 = 9 е cos (ut — —,— Х), о

2Q вог««о :ти.

При условии од- остороннего доступа к контролируемому образцу со стороны ненагреваемой поверхности (например, в технологическом контроле листовых и руло:«ных материалов) необхоцим критерий выбора частоты <д, который позволил бы суди-ь и об амплитуде температуры нагреваемой поверхности. Это нужно, чтобы исключить радиационную составляющую коэффициента теплообмена, которая существенно велика при температуре оолее 400 К, и кондуктивную составляющую этого коэффициента, вносящую свой вклад в теплообмен при градиенте температуры нагреваемсй поверхности и окружающей среды более нескол .êèõ десятых долей градуса. В особенности, это важно.

«IpH контроле материалов с низкой температуропровоцностью (например, различных диэлектрических материалов на основе полимеров), поскольку для ощутимых изменений температуры ненагреваемой поверхности недопустимо перегревать контролируемый материал.

Если длина L температурной волны при некоторой частоте Ь будет равна тол«цине в пластины, т.е. ь=««, то поглощение температурной волны в толще пластины составляет (ы, « е = е = 535 (раз) Из этой зависимости следует значение частоты Г температурной волны, при которой L

4л .Ц 2

Таким образом, условие L= в позволяет судить о колебании температу- ры нагреваемой поверхности.

Из последнего выражения очевидна воэможность определения коэффициента температуропроводности Q, если из— вестны F и б

Таким образсм, если принять, что частота температурной волны является! 93606 величиной, но которой судят лб измеряемой величине Я, то частота, при которой длина температурной волны равна толщине контролируемого образца, прямо пропорциональна коэффициенту теплопроводности

4"

F = -- Q = К г

4т где К = -- — коэффициент измеритель 2 ного преобразования.

Например, коэффициент температуропроводности образца пенополиуретана толщиной 1 мм, определенный по предлагаемому способу, равен

6 (1- !0 1

Я = 4- 4-,„ 5,097 — 0,4056 10 (м /с)

Устройство работает следующим образом.

Мощность нагревателя 3 пульсирует с частотой, равной удвоенному значению частоты генератора 1, и возбуждает температурную волну в контролируемом образце 4. Термопреобразователь 6 с термочувствительным элементом преобразует колебания температуры ненагреваемой поверхности образца 4 в сигнал постоянного тока, модулированный переменной составляющей частоты, равной частоте температурной волны. Усилитель 7 низкой частоты усиливает только переменную составляющую этого сигнала, а фазочувствительный выпрямитель 8, в опорный канал которого включен удвоитель

9 частоты и переменный фазовращатель 10, компенсирующий фазовые набеги в измерительном канале, производит синхронное выпрямление этой составляющей. Индикатор 11 показывает величину амплитуды переменной составляющей температуры на ненагреваемой поверхности образца.

Если установить частоту генератора 13 низкой частоты численно равной

4и

= — -",— jr ), где 8 — толщина образца в мм, то измеритель отношения частот выполнит операцию деления, результат п которого равен

F 3 6 f п = --- = — — F = Q 10 . 41 с!

1ифровой индикатор 14 фиксирует ь при этом число п = 1! 10 (м /cj

Так, для измерения коэффициента температуропроводности пенополиуретака толщиной мм при температуре

333 К необходимо возбудить гармонические колебания температуры с амплитудой порядка 5 К. С учетом значения коэффициента теплопроводности для

1О этого материала Q = 0,4066 !0 (и /с) частота переменного тока создающе— го переменную составляющую температуру, составляет 2,5-3 Гц.

Предлагаемый способ измерения коэффициента температуропроводности материалов, преимущественно диэлектрических и устройство для его осуществления повышают точность измерения коэффициента температуропровод20 ности диэлектрических материалов, которые обычно имеют низкие значения этого коэффициента и, следователь»о, требуют чувствительных и точных средств измерений очень малых колебаний температуры ненагреваемой поверхности образца.

Фор мул аизобретени я

30 !. Способ измерения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на возбуждении температурной волны в образце, моделируемой в плоской неограниченной пластине, из35 мерении амплитуд температурной волHbl и вычислении определяемой величины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, при измерениях температурную волну ре40 гулируют до установления ее длины, краткой толщине образца, а коэффициент температуропроводности Q определяют по соотношению

gz

45 (4 !! nz где о — толщина образца; частота температурной волны; п = 1,2,3 — одно из чисел на50 турального ряда.

2. Устройство для измерения коэффициента температуропроводности материалов, содержащее первый генератор низкой частоты, соединенный с управляемым источником питайия, выход которого соединен с плоским нагревателем, установленным на одной стороне контролируемого образца, 1293606 теля отношения частот.

Составитель В.Гусева

Техред В.Кадар Корректор М.Демчик

Редактор А.Ревин

Заказ 378/47 тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открьггий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4 термопреобраэователь, установленный на другой стороне образца и соединенный с усилителем, индикатор, о т л и ч а и щ г е с я тем, что сно снабжено дополнительно фазочувствительным выпрямителем, удвоителем частоты, фазовращателем, измерителем отношения частот, вторым низкочастотным генератором, вторым цифровым индикатором, при этом первый вход фаэочувствительного выпрямителя соединен с выходом усилителя, а выход соединен с первым индикатором, удвоитель частоты выходом соединен с входом фачовращателя, выход которого соединен с вторым входом фазочувствительного выпрямителя, вход удвоителя частоты соединен с первым генератором, первый вход измерителя отношения частот соединен с выходом удвоителя частоты, а второй вход его соединен = вторым низкочас10 то-..ным генератором, второй цифровой индикатор соединен с выходом измери