Способ определения теплопроводности материалов

 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплофизических характеристик анизотропных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что для измерения теплофизических характеристик анизотропных материалов двухточечное зондирование на одном образце выполняют трехкратно - по одному разу на каждой из его трех взаимно перпендикулярных поверхностей, по отношению к котооым главные составляющие тензора теплопроводности нормальны. По измеренным значениямопределяютискомые характеристики. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1057830 (21) 4798655/25 (22) 05.03.90 (46) 23.07.92, Бюл. ¹ 27 (71) Сибирский государственный Hay Ho- сследовательский институт метрологии (72) А.Н.Калинин (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1057830, кл. G 01 N 25/18, 1982. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использоваИзобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в тех отраслях, где требуется определение теплопроводности материалов, обладающих анизотропией потрем взаимоперпендикулярным направлениям, т.е. ортотропных материалов, с одновременным определением всех трех главных составляющих теплопроводности, среднеобъемной теплопроводности и всех трех значений степени анизотропии теплопроводности таких материалов, и является усовершенствованием способа по авт.св. М 1057830.

По основному авт. св. N. 1057830 известен способ определения теплопроводности материалов, заключающийся в одностороннем двухточечном тепловом зондировании поверхности образца с помощью двух разнотемпературных стержнеобразных зондов, измерении разности

„„SLY „„1749802 А2 но для определения теплофизических характеристик анизотропных материалов.

Сущность изобретения заключается в том, что для измерения теплофизических характеристик анизотропных материалов двухточечное зондирование на одном образце выполняют трехкратно — по одному разу на каждой из его трех взаимно перпендикулярных поверхностей, по отношению к которым главные составляющие тензора теплопроводности нормальны. По измеренным значениям определяют искомые характеристики. 1 ил. температур между зондами и последующем определении теплопроводности по градуировочной зависимости, найденной по результатам таких же опытов на стандартных образцах с известной теплопроводностью, Однако измерения известным способом на объемных аниэотропных образцах, причем обладающих анизотропией по всем трем направлениям, дают результаты, не соответствующие ни среднеобъемной теплопроводности, ни какой-либо одной ее составляющей, Способ не позволяет определять и степень анизотропии теплопроводности таких образцов, т,е. определение всех трех составляющих теплопроводности, как и каждой составляющей в отдельности, а также среднеобъемной теплопроводности и всех трех значений степени анизотропии ортотропных объемных образцов невозможно.

1749802

10

30 (1) (2) 3 3

Л = Лх Й ilz = (3) 35

Цель изобретения — расширение возможностей способа и класса исследуемых материалов путем определения всех трех главных составляющих теплопроводности, среднеобъемной теплопроводности, а также всех трех значений степени анизотропии теплопроводности анизотропных (ортотропных) объемных материалов.

Для этого для градуировки и определения градуировочной зависимости используют объемные изотропные стандартные образцы теплопроводности, а последующие измерения проводят на объемных анизотропных (ортотропных) образцах, причем на одном образце двухточечное зондирование с получением результата выполняют трехкратно — по одному разу на каждой из его трех взаимоперпендикулярных поверхностей, по отношению к которым главные составляющие теплопроводности нормальны, и по измеренным значениям определяют искомые характеристики, На чертеже показана схема устройства для осуществления способа.

Устройство содержит два стержнеоб.разных зонда 1, у которых одни концы специальными наконечниками 2 контактируют с одной из трех взаимоперпендикулярных поверхностей ортотропного образца 3. По отношению к этим поверхностям главные составляющие теплопроводности образца нормальны. Другие концы зондов установлены в медные пластинки 4 и прикреплены к холодной и горячей поверхности термоэлектрической батареи 5, включенной в цепь нагрузки автоматического регулятора

6. На вход последнего включены дифференциальная термопара 7, рабочие спаи которой расположены на концах зондов, контактирующих с образцом. В разрыв цепи этой термопары включен встречно задатчик 8 постоянного компенсирующего напряжения так, что на вход регулятора 6 пос гупает нулевой разностный сигнал. Другая дифференциальная термопара 9 со спаями на медных пластинках 4 и измеряющая разность температур, создаваемую термобатареей на прикрепленных к ней концах зондов, подключена к измерителю 10 термоЭДС.

Процесс измерения предлагаемым способом включает двухточечное зондирование образца 3 сначала со стороны какой-либо одной поверхности, лежащей, например, в координатной плоскости XY (как изображено на схеме), по отношению к которой является нормальной составляющая теплопроводности ilz, и нахождение результата Nxy. Затем такие же процедуры измерений с нахождением результатов выполняют зондированием двух других взаимоперпендикулярных поверхностей, по отношению к которым нормальными являются две другие составляющие Лх и Лу, На схеме эти поверхности лежат в координатных плоскостях XZ u YZ и показаны стрелками с обозначениями получаемых при их зондирований результатов. соответственно

Nxz u Nvz. Величины Nxv, Nxz, Nvz во всех трех независимых опытах определяются по показаниям измерителя 10 с использованием одной и той же зависимости величины термоЭДС от теплопроводности, Эту зависимость определяют предварительно аппроксимацией результатов градуировочных опытов на наборе изотропных объемных (адекватных полупространству в тепловом отношении) стандартных образцов теплои роводности.

Искомые главные составляющие теплопроводности ilx, Лу, Лу, среднеобъемную теплопроводность if и три значения степеЛх Лх Лу ни анизотропии; -, -,; - рассчитывают

Y 2 2 по формулам

Л вЂ”,ЛУNXYNXZ y NXYNYX Z NXZNYZ

Лх N vz Лx N yz Лу N xz

У Nxz Д4 Хе Ц4

Способ опробован измерениями на анизотропных (ортотропных) объемных образцах из разных материалов, в том числе из дерева как наиболее изученного материала с наиболее ярко выраженными анизотропными (ортотропными) свойствами. Так, например, на образце из сухого дерева (ели) при зондировании со стороны поверхности, по отношению к которой волокна располагались нормально, получен результат 0,185

Вт/(м.К.), при зондировании поверхности, расположенной вдоль волокон, но перпендикулярно годичным слоям — 0,155 Вт/(м.К.), а при зондировании поверхности, параллельной волокнам и годичным слоям — 0,158

Вт/(м.К.). Согласно формулам (1) и (2) для искомых трех главных составляющих и для среднеобъемной теплопроаодности исследованного образца дерева следует: вдоль волокон 0,259 Вт/(м.К.), по нормали к волокнам и а плоскости годичных слоев 0,127

Вт/(м.К.), по нормали к волокнам и годич1749802 ным слоям 0,137 Вт/(м.К.), а для среднеобьем ной теплоп роводности 0,165 Вт/(м.К.). Из полученных результатов следуют, в том числе согласно формуле (3), и все три значения степени анизотропии теплопроводности ис- 5 следованного образца дерева.

Все полученные данные, в том числе по отдельным составляющим теплопроводности и значений степени анизотропии, подтверждают эффективность способа. 10

Необходимо отметить, что способ эффективен в тохм случае, когда исследуемый образец имеет размеры по всем трем направлениям, превышающие некоторые критические, т.е. когда по всем трем 15 направлениям образец является адекватным полупространству. Эти критические размеры не зависят от среднеобъемнЬй теплопроводности образца и определяются радиусом R контакта зондов с образцом, а 20 также степенью анизотропии теплопровод-ности образца. При слабо выраженной анизотропии минимальные критические размеры с учетом оптимального взаимного расположения двух зондов составляют по 25 всем трем направлениям приблизительно

16 R. При использовании указанного устройства минимальные критические размеры во всех трех направлениях составляют около 32 мм. 30

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в возможности получения всей информации о теплопроводности исследуемого анизотропного (ортотропного) материала, а также 35 в повышении производительности измерений теплопроводности таких материалов и в возможности их осуществления в ряде случаев непосредственно на изделиях без нарушения их целостности. 40

Формула изобретения

Способ определения теплопроводности материалов по авт.св, М 1057830, о тл и ч аю шийся тем, что, с целью расширения возможностей способа и класса исследуемых материалов за счет определения главных составляющих тенЪора теплопроводности анизотропных материалов, степени анизотропии и среднеобъемной теплопроводности, двухточечное зондирование выполняют трехкратно по одному на каждой из трех взаимоперпендикулярных плоских поверхностях образца, по отношению к которым главные направления тензора теплопроводности нормальны, а искомые характеристики находят как и4,Л и tz .Л, йЬ XY I4 XZ N XY YX N XZ N YZ

Лх NYz Лх NYz,Лу Йxz

N4 WZ 4 г(У, 4

3 л =хлхлчхд = где Лх, Лу, Лу — главные значения тензора теплопроводности;

Мху, Nxz, Nyz — величины, полученные при зондировании трех взаимоперпендикулярных поверхностей, по отношению к которым главные направления теплопроводности соответственно

ilz, Лу, Лх нормальны;

Лх/Лу, Лх/4, Лу/Лу — три значения степени анизотропии;

Л вЂ” среднеобъемная теплопроводность, 1749802

Составитель Н.Грищенко

Редактор О.Юрковецкая Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Максимишинец

Заказ 2592 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