Устройство для определения теплофизических характеристик материалов
Изобретение относится к измерительной технике. Устройство состоит из герметичной камеры 1, в которую помещен образец 2 электропроводного материала, по всей длине окруженный тонким металлическим экраном (приемникомтепла 3) с термопарой 4. Внутренняя поверхность экрана имеет степень черноты не менее 0,5, а внешняя - не более 0,3. Расстояние между образцом и экраном в 5-10 раз больше радиуса образца. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕспуБлик (я>s G 01 N 25/18
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4775667/25 (22) 29.12.89 (46) 23.03.92. Бюл. N 11 (71) Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения (72) В.Г.Сысоев, В.М.Харченко, В.А.Тлевцежев и В.Л.Миков (53) 536,6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 493714, кл. G 01 N 25/18. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
МАТЕРИАЛОВ. Ы 1721490 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике. Устройство состоит из герметичной камеры 1, в которую помещен образец 2 электропроводного материала, по всей длине окруженный тонким металлическим экраном (приемником тепла 3) с термопарой 4, Внутренняя поверхность экрана имеет степень черноты не менее 0,5, а в не ш ня я — не более 0,3. Расстоя ние между образцом и экраном в 5 — 10 раз больше радиуса образца. 2 з,п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
1721490
20
Изобретение относится к измерительной техники, в частности к устройствам, служащим для определения теплофизических характеристик (ТФХ) (коэффициента теплопроводности, тепловой активности, объемной теплоемкости, степени черноты)
-материалов, и может быть использовано в авиастроении, машиностроении, приборостроении, производстве конструкционных материалов.
Известно устройство для определения теплофиэических характеристик изотропных твердых тел, содержащее герметичную камеру с токоподводами для пропускания через образец электрического тока для его разогрева, приемник тепла в виде оболочки, окружающей центральную часть образца.
Недостатком известного устройства является низкая точность при исследовании образцов малых диаметров, а также невозможность определять теплофизические характеристики анизотропных материалов, Целью изобретения является повышени - точности и расширение классов исследуемых материалов.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения теплофиэических характеристик, содержащем герметичную камеру с токо подводами и расположенным внутри цилиндрическим образцом, снабженным приемником тепла в виде оболочки, соосно окружающей центральную его часть, приемник тепла выполнен из металлической фольги, внутренняя поверхность которого имеет степень черноты не менее 0,5, а внешняя поверхностьне более 0,3„при этом расстояние между образцом и приемником тепла в 5 — 10 раз больше радиуса образца.
Причем с целью повышения точности
on ределения теплофизических характеристик приемник тепла выполнен в виде цилиндрической оболочки, окружающей образец по всей его длине, с термопарами, расположенными по образующей оболочки, а устройство содержит дополнительный приемник тепла в виде оболочки, окружающей образец по всей длине, с термопарами, расположенными в центральной ее части.
На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.
Герметичная камера 1, в которую помещен исследуемый образец 2, представляет собой, например, электропроводный стержень, по всей длине окруженный с зазором соосным тонким металлическим приемником 3 тепла. По образующей оболочки на наружной ее поверхности помещены датчики температуры, например термопары 4.
Датчик 5 температуры, например термосопротивление, помещается также и в окружающую среду на герметичную камеру. Сигнал от датчиков температуры поступает на иэмерительный блок 6, а затем — на электронно-вычислительную машину 7. Концы стержня закреплены в зажимах 8, например, цанговых с токоподводами 9, подключенными.к источнику 10 питания, В герметичную камеру врезан патрубок 11, который с помощью вакуумного шланга 12 соединен с вакуумным насосом 13. Для повышения точности определяемой зависимости теплофизических свойств от температуры за счет медленного остывания образца соосно со стержнем установлен дополнительный приемник 14 тепла в виде оболочки, аналогичной основной, с датчиками 15 температуры в центральной части оболочки по периметру, Герметичная камера 1 при помощи вакуумного насоса 13 вакуумируется. Вакуум необходим для того, чтобы исключить влияние конвективного теплообмена и, если измерения производятся при высокихтемпературах, не допустить окисления образца. Образец нагревается электрическим током, который поступает от источника
10 питания через токоподводы и зажимы
8. После разогрева образца до заданной температуры источник питания отключается и образец остывает, Тепловой поток от остывающего образца распространяется радиально через приемник 3 тепла. Во время остывания образца датчиком температуры, помеиенныл на приемнике, регистрируется его температура Т, Т>, Т, ..., Т в определенные моменты времени О, r1, rg,..., t„. Так как известны температуры и степень черноты внешней поверхности тепловсго приемника, то по закону Стефана-Больцмана определяется тепловой поток, поступающий от приемника к окружающей среде для тех же моментов времени. Иэ условий теплового баланса и учитывая, что приемник тепла, выполненный из металлической фольги, практически не обладает тепловой инерцией, следует, что тепловой поток, поступающий от приемника к окружающей среде, равен тепловому потоку от образца к приемнику, Отсюда определяется температура боковой поверхности образца для моментов времени
О, t), тг „... tn . Зависимость оттемпературы температуропроводности образца а (T) в направлении, перпендикулярном продольной оси образца, определяется из решения
1721490 обратной задачи теплопроводности. Определение характеристик в осевом направлении образца проводится согласно известной методики. Решая прямую задачу теплопроводности, используя найденную температуропроводность и граничные условия на поверхности образца, определяют градиент температуры в точке поверхности образца. По градиенту температуры и тепловому потоку от образца к приемнику тепла по закону Фурье определяются значения радиальной теплопроводности
ilPl) материала образца как функция температуры ы.
Численное ограничение по степени черноты обусловлено следующими причинами, Ограничение степени черноты внутренней поверхности экрана минимальным значением 0,5, а внутренней поверхности максимальным значением 0,3 продиктовано тем, что при меньшем значении степени черноты внутренней поверхности (и большем значении я внешней поверхности) заметно влияние отражения (и поглощения) на показаниях датчика 4.
В таблице представлены ошибки, полученные экспериментально, в определении температуры образца (дТ т), имеющего температуру 900 К при различных значениях я для внутренней Ее и внешней f»e поверхностей.
Как видно из таблицы, при переходе
А так как определяют ТФХ материала образца по этой температуре, то и ошибка в их о и редел ен ии тоже вел и ка. Расстояние между образцом и приемником тепла (в 5 — 10 раз больше радиуса образца) выбирается из следующих соображений: когда это расстояние больше радиуса менее чем в 5 раэ, сложно обеспечить соосность между образцом и приемником 5 тепла, а когда это расстояние больше радиуса образца более чем 10 раз, то теряется чувствительность устройства за счет переизлучения энергии в зазоре. Таким образом, приведенные ограничения позволяют повы10 сить точность измеряемых теплофизических характеристик. Формула изобретения 1. Устройство для определения тепло15 физических характеристик материалов, содержащее герметичную камеру с токоподводами и расположенным внутри цилиндрическим образцом, снабженным приемником тепла в виде оболочки, соосно 20 окружающей центральную его часть, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения классов исследуемых материалов, приемник тепла выполнен из металлической фольги, внутренняя по25 верхность которого имеет степень черноты не менее 0,5, а внешняя поверхность — не более 0,3, при этом расстояние между образцом и приемником тепла в 5 — 10 раз больше радиуса образца. 30 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности, приемник тепла выполнен в виде цилиндрической оболочки, окружающей образец по всей его длине, с термопарами, располо35 женными по образующей оболочки. 3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности, оно содержит дополнительный приемник тепла в виде оболочки, окружающей обра40 зец по всей длине, с термопарами, расположенными в центральной ее части.
