Способ определения теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов. Цель изобретения - по вышение точности. Иа исследуемой поверхности материала/устанавливают; линейный источник тепла, осуществляют многократное импульсное тепловое воздействие на материал и измеряют температуру на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от этой линии. При этом импульсное тепловое воздействие производят в моменты времени, когда соотношения измеряемых избыточных температур на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от нее соответству1 ют ряду чисел Ј / i le ,rflek k 1 k И - натуральные числа (k 1. 2, 3n), n количество тепловых импульсов, е - натуральное число. 1 ил. СО С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

l1PVI I KHT CCCf (46) 23.04.92. Бюл, М 15 (72) А.И. Фесенко, В.В. Штейнбрехер и

С.С. Маташков (53) 536.6(088.8) (56) Чиркин B.Ñ. Теплопроводность промышленных материалов, — М.: Машгиз, 1962, с. 142.

Авторское свидетельство СССР

М 1201742, кл. G 01 N 25/18, 1985. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов, Цель изобретения — поэ

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. . Известен способ определения теплофизических характеристик, состоящий в подводе теплового импульса к поверхности образца. и регистрации момента времени, соответствующего максимуму приращения температуры на некотором расстоянии от места подвода тепла.

Недостатком этого способа является значительная погрешность определения характерного времени.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на поверхности исследуемого тела, измерении момента времени, когда интегральное во . времени значение температуры с момента

„„Я „„1728755 А1 источник тепла, осуществляют многократное импульсное тепловое воздействие на материал и измеряют температуру на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от этой-линии. При этом импульсное тепловое воздействие производят в моменты времени, когда соотношения измеряемых избыточных температур на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от нее соответству1

1 44 1 ют ряду чисел,", —./, — е, где k

k=1 k=1 — натуральные числа (k = 1. 2, 3, ..., и), и— количество тепловых импульсов, е — натуральное число. 1 ил.. подачи теплового импульса до момента наступления максимума .температуры в контролируемой точке поверхности станет равным значению интегральной во времени температуре той же точки после наступления максимума температуры, и измерении энергии теплового воздействия, а также в момент наступления равенства интегральных значений темпвратур осуществления теплового воздействия на исследуемое тело от источника тепла вторым импульсом, равным по мощности первому, затем в момент времени, когда интегральное во времени значение температуры в контролируемой точке поверхности с момента подачи второго теплового импульса до момента наступления максимума станет равным интегральному значению температуры той же точки после наступления максимума, воздействуют на тело третьим тепловым им1728755 пульсом, равным по мощности первому, и т.д. измеряют частоту следования тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики рассчитывают по формулам.

Недостатком данного способа является низкая точность определения теплофизических характеристик, обусловленная необходимостью определения интегральных значений температур до наступления максимума температуры и после него, а также необходимостью определения времени наступления максимальной температуры, В известном техническом решении осуществляют тепловое воздествие по прямой линии на поверхность исследуемого тела импульсами одинаковой мощности с частотой следования, определяемой из соотношений интегральных во времени изменений температур в контролируемой точке поверхности.

Однако при этом не обеспечивается достаточная точность контроля теплофизических характеристик ввиду использования некорректной математической модели Обратной задачи теплопроводности. Частота следования тепловых импульсов является величиной, зависимой от времени, что не позволяет производить измерения коэффициентов тепло- и температуропроводности, Цель изобретения — повышение точности определения.

На чертеже показана схема осуществления способа.

Предлагаемый способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов реализуется следующим образом.

На теплоизолированной поверхности испытуемого образца 1 располагают линейный нагреватель 2, а на расстоянии х1 от н его — терм о па ру 3. электроды которой сварены встык и расположены параллельно линий действия источника тепла, Тепловое воздействие осуществляют импульсами постоянной мОщности.

После подачи первого теплового импульса температура на линии действия источника тепла (датчик температуры может быть конструктивно совмещен с нагревателем) равна т(0, т) = — — - -0 (1) а на заданном расстоянии х1 от линии действия источника равна — Х1

Т(х1,т) = — — — - е (2) где Q — энергия импульса в расчете на единицу длины нагревателя;

Q (6)

При этом соотношение температур с учетом (4) равно

1+—

1 (7)

1 е + — е г

Далее осуществляется формирование третьего теплового импульса на линии действия источника тепла, Величина аз равна

35 „+1+1

Q3 (8)

1 1 1 е + — е 2+ — е 3

2 3

По аналогии соотношение температур

40 после формирования п-го импульса в момент времени t = n t макс с учетом формул (4) — (8) принимает вид

Х

45 ад

k=1 К

21 -1

К=1"

k=1,2,3, ..., п.

Таким образом, осуществляя дополнительное воздействие кратковременными тепловыми импульсами на линии действия источника тепла в моменты времени, когда соотношение температур а достигает знаЧЕНИй а1, аг,...аа ПОЛУЧаат ПОТОК ЭЛЕКтрических импульсов, выделяющих на линейном электронагревателе .тепловую энергию. Частота следования этих импульсов может быть определена из уравнения аг (7):

А и а — соответственно коэффициенты тепло- и темперэтуропроводности исследуемого материала; т- время, 5 Регистрируя после подачи теплового импульса отношение температур, получают

xf а (е 4а

Т(0, s (3)

T(X1, t

1О при этом экстремум температурной кривой

Т(х1, t) соответствует равенству; — Тмакс х1

4а (0

15 а1 =е. (5)

В момент времени s = тмакс на линии действия источника тепла формируется второй тепловой импульс. Величина а при этом определяется соотношением (7 >Тмакс ) 1728755 та-т(ха, а макс )= у — е . (11)

2 макс

После подачи второго теплового им- „ пульса (т = tм„, ) температура на рассто- 15 янии х1 от линии действия источника при г =2 х макс равна

Т2 = Т(х1, 2 гмакс ) =

20 а после воздействия третьего теплового им-. пульса—

ТЗ = Т(х1,3 Тмакс ) =

Q х

Г макс

1 1 х(е1+ — e 2 + — е 3з ).

2 3 (13)

По аналогии после воздействия и;го теплового импульса температура в момент 30 времени t = n гMa((c равна

0 е Смакс ) -2 — х — —— макс 35 (14) Тп = T(x1, Хп 1 -1

„=„k

Следовательно, соотношение температур

Т1.Т2:Тз:...:Т, =е:(е + — е 2 ):(е + — е 2 +

1 —, -1 1 — — 40

2 2

1 и 1 1

+ — е 3)..:,— е к (1Я

На основании формулы (14) получают (1 6)

Соотношение (15) между температурами Тп (n = 1, 2, ...) позволяет производить статистическую обработку результатов из- 50 мерений температур для повышения точноСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ T1 = T(X1 r макс ) В ФОРМУЛЕ (16).

Методом математического и машинного моделирования на ЕС 1840 выполнен расчет 55 избыточной температуры при x1 = 1:10 Э м, 0 - 50 Дж/м, А = 0,1, а = 3.10 7 м2/с, а также при воздействии теплового импульса в момент времени г= 0-(рассматривают

F- - а= (10)

XI tмакс

Из выражения (10) следует, что частота следования импульсов F прямопропорциональна коэффициенту температуропроводности исследуемого материала.

После подачи первого теплового импульса(t = 0)температура на расстоянии х1 от линии действия источника в момент времени 7 =Тмакс равна

10 период между первым и вторым. импульсами).

При известных коэффициентах тепло- и температуропроводности значение объемной теплоемкости равно

C р = - = 3,333 10 5 Дж а МЗК

На основании полученной термограммы нагрева определяют момент времени макс = 0,83 с и соответствующее ему значение избыточной температуры Т1 - 35,3 С.

Из формул (10) и (1 6) следует, что частота

F равна 1,2 гц, Из условия равенства (13) и (19)

4 2леТ1 А

x) определяют отношение, используя термограмму нагрева:

Л 40 =331710 Дж

2 хе Т1х1 м К а которое подтверждает достоверность полученных результатов в пределах погрешности расчета д(сp) =0,5, Использование изобретения позволяет повысить точность определения теплофиэических характеристик материалов.

Формула изобретения

Способ определения теплофиэических характеристик материалов, включающий многократное тепловое воздействие на поверхность исследуемого материала линейным источником тепла, измерение температуры поверхности материала на заданном расстоянии от источника тепла и частоты следования тепловых импульсов с последующим вычислением искомых характеристик, о т л и ч à ю шийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют температуру на линии действия источника тепла, а импульсные тепловые воздействия производят в моменты времени, когда соотношения измеряемых избыточных температур на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от нее соответствуют ряду чисел / 1 ek

k=1k k-1 k. где к — натуральные числа, 1, 2, 3, „., n;

n — количество тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики рассчитывают по формулам: а = Х1 F/4; iL = 0 F/2 л е Т1, где а, А — соответственно коэффициенты температуропроводности и теплопроводности;

0 — количество тепла, выделяемое единичным импульсом на единицу длины источника тепла;

1728755

Составитель В, Марченко

Редактор И. Дербак Техред М.Моргентал Корректор О. Кундрик

Заказ 1403 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г..ужгород, ул.Гагарина, 101

Х1 — расстояние oi источника тепла до точки измерения температурй на поверхности материала;

F — частота следования тепловых импульсов; 5

T> — значение температуры в точке на расстоянии Х от источника тепла в момент времени, когда соотношение температур равно натуральному числу е.