Способ определения теплопроводности материалов
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел. Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения теплопроводности. Поставленная цель достигается тем. что нагрев образцов осуществляют движущимся точечным источником энергии и измеряют тепловое излучение от поверхности образцов датчиком , жестко связанным с источником энергии , при периодическом сканировании теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры по траектории типа окружности. Измеряют амплитуды переменных сигналов, возникающих при сканировании поверхности эталонных и исследуемых образцов и на их основе рассчитывают теплопроводность. 4 ил. fe
СОЮЗ С08ЕТСКИХ
СОЦиАЛИСТИНЕСгИХ
РЕСПУБЛИК (5!) 5 G 01 N 25/18
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
О
C) (л (21)4759469/25 (22) 20.11.89 (46) 07.01.92. Бюл. М 1 (71) Свердловский инженерно-педагогический институт (72) С.Г.Горинский (53) 698,8(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
N 1260799, кл. G 01 и 25/18, 1985.
Авторское свидетельство СССР
1Ф 1073666, кл. G 01 N 25/18, 1982. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофиэических свойств тверИзобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел.
Известен способ определения теплопроводности твердых тел, включающий нагрев эталонного и исследуемого образцов подвижным точечным источником теплсвой энергии, регистрацию предельных температур на линии нагрева при некотором первоначальном и измененном расстояниях отставания датчика температуры от источника энергии для каждого из образцов. По разности предельных температур, измеренных при первоначальном и измененном расстояниях отставания, рассчитывают величину теплопроводности, Недостатками способа являются его невысокая точность, обусловленная тем, что. Ж 1 704051 А1 дых тел. Цель изобретения — упрощение способа и повышение точности определения теплопроводности. Поставленная цель достигается тем, что нагрев образцов осуществляют движущимся точечным источником энергии и измеряют тепловое излучение от поверхности образцов датчиком, жестко связанным с источником энергии, при периодическом сканировании теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры по траектории типа окружности. Измеряют амплитуды переменных сигналов, возникающих при сканировании поверхности эталонных и исследуемых образцов и на их основе рассчитывают теплопроводность. 4 ил. сложно осуществить изменение расстояния отставания датчика от источника в процессе его движения так, чтобы траектория его движения не сместилась с линии нагрева. Кроме того, исследуемые образцы должны быть достаточно однородными, так как при изменении расстояния отставания датчика от источника регистрируют предельные температуры в разных частях образца.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения теплопроводности, включающий нагрев исследуемых и эталонных образцов точечным источником энергии и измерение теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры при относите, ьном взаимном перемещении образцов и датчика, жестко связанного с источником, по прямой, соеди<704 <51
Г» Г) 25
\ .»
45!
»< ем
Т=Тя +50
»<я ащей источник и датчик. t,pohiå того, таплозое излучение образцов адноврел1анно измеряют вторым датчикам температуры, располагаемым симметрична порвал у относительно источника энергии на прямой, Г<рахорящей через первьй датчик и источник энергии. С помощью двух датчиков измеряют начальную и предельную температуры, по которым рассчитывают искомую величину, Недостатками этого способа явл=ются его сложность м низкая проиэьодительнссть, обусловленные налич;<см операций измерения начальных температур и вычитанили их из предельных температур в процессе расчета теплопроводности, а такх.е
<<евысокая точность, обусловлен«э 1 воэможi ым раэли <нием характерис1 ик датчике в.
Цель изобретения - упраще i:::пособа и повышение точности апред:-...OI .Ilÿ 1спл.ираваднасти, Поставленная цель даст<наста", Tct I, что в способе аг<ргделенил тепл-.Г Г э»ад»<асти материалов, включающем награв исследуемых и эталонного образцов Toilç÷. IL:h . источником энергии и измерение еплового излучения от поверхностей обр."зцов датчиком температуры, распалаже»
lI „-1 »»ска»-: и ье". Чины, плаща" «у виэи»>аваi »;. и:"..". ".ща . -::: 3:.»1»:», тс: т;— -, -к10рии.
Г»;.есе!.afougclt гsi«<,1,0: !!pet»3 и непвресеГЙ»ащей 10чки натревл, с <<е»<тра»1, распала ж-:иным иа линии пер;<Г.це!»»1я !.стсч!»! .э а-:»аси..ельна образца» и с макс<и<умам температуры, нахадлщи! сл о 1ач«е иересече<<ия с линией нагрева, С«ЕР ЦИИ С«3»i»,, »; ИЯ l10 указан»<01 траектории поз»а<»яет заменить
Операцию считывания с диагрл»л»лна»1 ленты сказаний двух <р»ад»»0<.<стра»! 1 патсче <»<ОГО
6! I <И а! <ИЯ ОДНОГО Г»с хаза»<»1Л l!3 g; t»yÃOÃO ОД най операцией считыва» ия o!1ll f »Tóäf 3IIa 4Cfil1$i СИГНаЛа Д3ТЧИ! .а. 310 ИРИВОДИТ K эначитель:<ол<у сокращению вре",åI<è на с,иты 3»< .е и аб"абатку реэу!I,T»T03»3t;ерений ft, следовательно, к иагышению произэ водит ел ь насти способа. Уменьшение погрешности Определения тепла-»-авадности обусловле<<о двумя при»и и ами. I3c-;13;»bix, за с ет введения спарации сканирова»<и»! по указанной траектории длл опрсделения предельной избыточнпй темпер; туры д сTÇTG :f Во-нтсрь<х, если в известном способе для опреде <ения предельной избы10 и<ай 1емпературы используется касвен<<ый вид измерений (измеряются две температуры и вычислле1ся разность между ними), тот в предлагаемом способе измерение предельной избыта „»ой температуры является прямым и свод<.тся к измерению амплитуды колебаний сигнала датчика. При этом известно, что псгрешность прямых измерений меньше, чал «асвен»;ых. Пересе I:f<èå траекторий сканирования л»и<ии»<л.; UB абсспе <ивает <1эл1ерение темпе»а;, I на 3Toй линии, Расиа<»аже»<иа центр а ",,жнаст»1 на линии награва необходима д»s< того, чтобы измеренная в одной из тачек пересечения траек1ория с линией нагрева температуры была максимальной на траектории, что необходимо для обеспечен< я вазмож<<ости определения теплопра.. Одности по известным расчетныл1 саотноше<<ия<л. Условие непересечения траекторией сканирования точки нагрева вытекает из требований известной математической модели (температура в этой тачке стремится v, бесконечности). »-»э 4;г, 1 — 3 приведены I1pl;f.!r»r -,".вектор и ска «<рава»»,".»<; «а фиг. 4 — cxet.18 устрс ства для осуществления способа. Воз<<аж ость дг.".Tèæåt<ès па-т эленНай ЦЕЛИ укаэа»<»<». М. СПОСОбОМ даК .ЫеаЕтС Я C tI Oi"i y а «» и t. Иззвсст» О, чта при нагреве псверх»<0сти палуб скопе А- каэ»4, »ц<10! т теплапровад IOOTi1 тела; а — каэфф,.циенттемпературапр»ад» 0ст 1 тела. 17040с„ =О. 4(вс) 30 {10) 1макс" То + Тнакс ТО + (6) Тинке Тннн глАя При сканировании датчика по окружности с радиусом R, измеряя амплитуды колебания сигнала датчика температуры при ИЗМЕРЕНИИ На ЭтаЛОНОМ абРаэЦЕ Отат И ИС- следуемом образце 0 ©вр. можно определить коэффициент теплопроводности образца Мсср, АЮр т (г) Цтбр где 4т - теплопроводность эталона. Пусть центр окружности лежит в точке нагрева (фиг. 1). В этом случае координаты точки визирования можно определить из соотношений Х- Rcos аи, (3) Y- Rsln et, (4) где в- угловая частота вращения площадки визирования. Подставляя эти величины в (1), получаем: Т- + — Я вЂ” Е р(- (1+ COS rut)) . VR 2лА Я а (5) Определим экстремальные значения этой функции из условия Легко показать, что максимальное значение температуры наблюдается при со t - л (т.е. на оси Х с координатов — R) и равно Минимум температуры наблюдается при й) t-0(т е. на оси с координатой+ R) и равен Тмин То+ глАв exp (VR а Р) Размах колебаний температуры равен VR Тмакс Тмма 1 exp— 2лАЯ а (8) Для любых реальных значений коэффициента температуропроводности можно подобрать такой режим измерения (V, R), что величиной ехр(- YR/à) можно будет пренебречь; с учетом этого из (8) получаем: Измеряя амплитуду колебаний сигнала на выходе датчика температуры при измерени5 55 ях на эталоне и исрледуемом образце. можно определить коэффициент теплопроводности по формуле (2). Очевидно, что формула (2) применима и для многих других траекторий сканирования, основанных на вращательном движении сканирующего элемента. Например, на фиг. 2 приведена траектория сканирования для случая вращения луча визирования вокруг оси. находящейся под некоторым углом к нормали к поверхности тела в точке нагрева. Этот случай интересен с практической точки зрения, так как при реализации спосо5а может вдзникать необходимость наклонного расположения радиометра, и в этом случае легко добиться, чтобы амплитуда колебаний датчика была равна предельной избыточной температуре Тмакс — То и. следовательно, была справедлива формула (2). Рассмотрим случай, когда центр окружности, по которой перемещается площадка нагрева. находится на линии нагрева и отстает от движущейся точки нагрева на расстоянии Хо (фиг. 3). Траектория сканирования пересекает линию нагрева в точках а и b . Очевидно, что максимальная температура наблюдается в точке а: С помощью числеНных расчетов легко показать, что для любых реальных значений коэффициента температуроп роводности легко подобрать такой режим измерения (Ч, R), чтобы с достаточной степенью точности выполнялось соотношение Тмин = To, (11) что обеспечивает возможность применения формулы (2). Таким образом, в широком диапазоне реальных значений величин а, Ч, R, Хс существует возможность определения коэффициента теплопроводности по измеренным ампл. гудам колебаний сигнала датчика с помощью формулы (2). Устройство, с помощью которого реал 1зуется способ содержит сосредоточенный источник 1 энергии и дэтчик 2 температуры, расположенные под снабженной электроприводом 3 платформой 4, на которой установлены эталонный 5 и исследуемые 6 образцы. Оптикомеханическое сканирующее устройство 7 установлено перед входным окном датчика 2 так, чтобы сканировать тепловое излучение от поверхностей образцов 5 и 6 по траектории типа окружности, пересекающей линию нагрева и не пересе1704051 Фиг.2 кающую точку нагрева, с центром. расположенным на линии перемещения источника 1 относительно образцов 5 и 6. Выход датчика 2 последовательно связан с усилителем 8, амплитудным детектором 9 и регистратором 10. Способ осуществляют следующим образом, Расположенные на платформе 4 эталонный образец 5 с известной теплопроводностью и исследуемые образцы 6 перемещают с постоянной скоростью Ч = 2 — 10 мм/с относительно неподвижных источника 1 энергии и датчика 2 температуры {возможно осуществление способа с перемещением жестко связанных источника 1 энергии и датчика 2). С помощью регистратора 10 и и плитудного детектора 9 измеряют усиленные усилителем 8 амплитуды колебаний си пал" а выходе датчика 2 при перемещении над ним эталонного оразца 5 И„)и исследуемых образцов 6 (Um oep). На основании измеренных амплитуд. определяют теплопроводность по формуле (2). Формула изобретения Способ определения теплопроводности 5 материалов, включающий нагрев исследуемых и эталонного образцов точечным источником энергии и измерение теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры при относительном вэаим10 ном перемещении образцов и датчика по прямой. соединяющей источник и жестко связанный с ним датчик, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что. с целью упрошения способа и повышение точности определения"теплоt5 проводности, площадку визирования датчика периодически перемещают по замкнутой траектории. пересекающей линию нагрева и непересекающей точку нагрева, и с максИмумом температуры, находящимся в точке 20 пересечения с линией нагрева, измеряют амплитуды возникающих колебаний сигнала датчика и определяют по ним искомую величину. "704051 Составитель Н. Грищенко Техред M.Ìît|ãåíòàë Корректор Н..Кучерявая Редактор О. Хрипта Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 5S Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5
