Устройство для комплексного определения теплофизических свойств материалов

 

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплоемкости , теплопроводности и температуропроводности материалов. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений. Устройство содержит источник электромагнитного излучения, модулятор излучения, герметичную камеру с окном, находящимся во время измерения в контакте с исследуемым образцом, датчик давления газа в камере, блок регистрации и обработки параметров, связанный с датчиком давления. Объем камеры за- .полней пористым проницаемым материалом , имеющим диэлектрические характеристики , идентичные материалу корпуса , и неразъемно связанным с окном камеры. 1 ил. с & (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ16 1387 (51)5 G 01 И 25 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

tl0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1485103 (21) 4608352/25 (22) 23.11.88 (46) 28.02.91.Бюл. Р 8 (71) Институт проблем криобиологии и криомедицины АН УССР (72) А.Г.Ордынец и С.О.Гирич (53) 536.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1485103, кл.G 01 И 25/18, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплоИзобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплофизических свойств материалов.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерения.

На чертеже представлено устройство общий вид.

Устройство содержит измеряемый объект 1, герметичный неразъемный корпус 2, камеру 3, наполненную непоглощающим излучение газом и слабопоглощающим в используемом диапазоне электромагнитных волн пористым про— ницаемым материалом 4, окно 5, неразъемно соединенное с пористым мате риалом 4 и стенками камеры 3, находящееся в тепловом контакте с объектом, выполненное из материала, 2 емкости, теплопроводности и температуропроводности материалов ° Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерений. Устройст" во содержит источник электромагнитного излучения, модулятор излучения, герметичную камеру с окном, находящимся во время измерения в контакте с исследуемым образцом, датчик давления газа в камере, блок регистрации и обработки параметров, связанный с датчиком давления. Объем камеры за.полнен пористым проницаемы материалом, имеющим диэлектрические характеристики, идентичные материалу корпу» са, и неразъемно связанным с окном камеры. 1 ил. ф прозрачного в используемом диапа зоне 3МВ и имеющего большой коэффици° ент тейпературопроводности, датчик 6, чувствительный к колебаниям давления газа, подсоединенный к камере 3, источник 7 электромагнитных волн с излучателем, который при измерейии тонких объектов может быть расположен сзади или спереди .корпуса 2, а для полубесконечных объектов — сзади корпуса 2, модулятор 8 излучения, электронный блок 9 обработки и регистрации сигнала.

Устройство работает следующим .образом.

Излучение источника 7, модулированное по амплитуде с помощью модулятора 8 на частотах (,), и(,1, последовательно проходит через корпус 2 и поглощается в образце 1 на длине lg

1631387

1 где 1 = — —, а ф. — коэффициент поглощения материала образца в используемой области длин волн электромагнитного излучения (ЭМИ). Частоты выбираются, например, так, что при

Я< глубина проникновения тепловых вова в образце 1 = « 2К / Q,(К— коэффициент температуропроводности) больше глубины поглощения 1... а при

Я -1 меньше 1 . Тепловые волны с частотами Q и Я, возникшие за счет поглощения модулированных электромагнитных волн, распространяются через окно и вызывают в газе, заполняющем пористый материал 4, акустические колебания с теми же частотами.

Эти колебания регистрируются с помощью датчика 6,.чувствительного к изменения давления, преобразуются в электрические колебания, усиливаются, обрабатываются и регистрируются в блоке 9.

Амплитуда сигналов при частотах модуляции Я, иЯ пропорциональны: первая — корню квадратному из произведения коэффициента теплопроводности объекта на его теплоемкость, а вторая — теплоемкости объекта. Из полученных экспериментально амплитуд сигналов при известных значениях

Q и Я определяют тенлоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности и коэффициент тепловой активности.

В предлагаемом устройстве используются окна толщиной на 1-2 порядка меньшей, чем в известном устройстве.

Это обусловлено жестким неразъемным соединением окна с пористым материалом„ В этом случае упругие характеристики окна будут определяться,. йе столько свойствами материала окна и его геометрическими размерами, сколь.— ко упругими свойствами массивного пористого проницаемого материала и диаметром пор.Последние могут быть порядка нескольких микрон и толщина окна вполне может быть сравнима с диаметром пор, обеспечивая необходимые жесткость и стабильность своих характеристик во времени и при воздействии механических и тепловых нагрузок.

Поскольку амплитуда температурной волны при прохождении окна уменьшает -(Ю вЂ” р ся как (1 ) и 1к кЯ, где

1 — толщина окна, а 1т — длина тепловой диффузии по толщине окна, уменьшение 1 на 1-2 порядка позволяет использовать при том же затухании частоты на 2-4 порядка больше. При этом рабочие частоты модуляции могут лежать в диапазоне от десятых долей герц до десятков килогерц. Последнее дает воэможность проводить измерения теплофизических характеристик материалов, имеющих коэффициенты поглощения, лежащие в диапазоне 10

Ф

1 см, т.е. более широком, чем в известном устройстве. Это расширяет круг измеряемых материалов с помощью устройства с одним и тем же источником ЭМИ.

Таким образом, уменьшение толщины окна позволяет реализовать условие

1 (< 1„, обеспечивающее передачу без ослабления оптико-акустического (ОА) сигнала от измеряемого образца в камеру во всей полосе рабочих частот модуляции, что приводит к повышению общей чувствительности устройства.

Заполнение камеры пористым материалом, обладающим диэлектрическими характеристиками, идентичными характеристиками корпуса и окна камеры, приводит к тому, что структура поля в плоскости, перпендикулярной лучу, после прохождения камеры не изменяется. Таким образом, для изменяемого образца с любыми диэлектрическими характеристиками распределение выделяемой переменной тепловой мощности по площади соприкосновения образца и окна остается неизменным.

Поскольку амплитуда измеряемого ОА сигнала однозначно связана с величиной и структурой распределения выделяющейся тепловой мощности, неизменность этой структуры для разных образцов обеспечивает повышение точ= ности измерений.

Диаметр пор пористого материала определяется из следующих. соображе-. ний. Требование однородности пористого материала по отношению к проходящему излучению с длиной волны Я приводит к ограничению диаметра пор сверху. При этом материал можно считать однородным в том случае, если при прохождении излучения через него потери рассеяния на неоднородностях существенно меньше потерь пог-, лощенйя. Это соответствует соблюде16 нию условия d — — где d — диа A

16 метр пор. С другой стороны, размер 1 пор снизу ограничен условием малости акустических потерь при прохождении акустической волны вдоль пор с регистрацией их амплитулы с помощью датчика, чувствительного к давлению.

Уменьшение амплитуды звуковой волны при распространении ее в капиллярной трубке пропорционально ехр(фх), где P — коэффициент затухания; х — расстояние вдоль трубки.

Для капиллярных трубок, заполненных воздухом, 1-пропорционален корню квадратному из коэффициента трения

8Р

r — — где (U — коэффициент

Г о

Вязкости; r — радиус капилляра. Приняв, что уменьшение амплитуды звуковой волны в конце капилляра должно быть не более 1Х получают следующую оценку диаметра капилляров пористого материала d k 102 — — -(— -).

PAf ly, (1)

2 Р с (i) где f = — — — частота модуляции

2 и злучения;

1— плотность газа в камере;

1 — длина капилляров (глубины камеры); с — скорость звука в :а газе, заполняющем камеру.

Для камеры, заполненной воздухом, из (1) получают при f = 1 Гц, Й и

31387 6 0,1 мкм, а при f = 10" Гц, 4м

®10 мкм.

Если использовать электромагнитное излучение с длиной волны Я

10-0,1 см, то пористый материал с d a 10 мкм позволяет удовлетворить обоим условиям, обеспечивая реализуемость конструкции.

В качестве материала камеры может быть использовано органическое стекло, а в качестве материала, заполняющего камеру, — материал на основе кварца с капиллярной структурой.

Таким образом, по сравнению с из-. вестным предлагаемое устройство имеет следующие преимущества: обладает большей чувствительностью за счет возможности использования более.

20 тонкого окна; обеспечивает более высокую точность измерений теплофизических свойств материалов с различными диэлектрическими характеристиками за счет сохранения неизменного вида

25 распределения выделяемой в образце мощности по плотности его соприкосновения с окном.

Формула .изобретения

Устройство для комплексного определения теплофизических свойств материалов по авт.св. М 1485103, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности

35 измерений, объем камеры заполнен пористым проницаемым материалом, имею щим диэлектрические характеристики, идентичные материалу корпуса, и не, разъемно соединенным с его окном.

1631387

Составитель В.Марченко

Техред M.Дидык

Редактор И.Касарда

Корректор M.Äåì÷èê

Заказ 539 Тирак 384 Подписное

BHHHGH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательскиГ комбинат "Патент", г. Ултород, ул. Гагарина, 101