Способ определения теплофизических характеристик материалов
Изобретение относится к измерению теплофизических характеристик (ТФХ) и может быть испрльзовано при комплексном изучении ТФХ материалов с теплопроводностью 0,1-5 Вт/(м К), а также для определения или контроля ТФХ реальных объектов без их разрушения После установки измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал проводится регистрация временной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образца, затем система измерительный зонд - исследуемый образец разогревается круговым нагревателем с постоянной электрической мощностью и регистрируется временная зависимость перегрева центра нагревателя относительно начальной температуры. Способ позволяет сократить время, необходимое для выравнивания температур эталонного и исследуемого образцов, за счет регистрации временной зависимости скорости изменения перепада температуры псГвыс оте эталонного образца перед проведением эксперимента по определению ТФХ. Это дает возможность, не дожидаясь полного выравнивания температур в рассматриваемой тепловой системе, начинать эксперимент по определению ТФХ. Следовательно, уменьшается время определения ТФХ. 1 ил. сл с
союз советских
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
i 1 e" ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4900229/25 (22) 09.01,91, (46) 23.12.92. Бюл, M 47 (71) Институт прикладной физики АН БССР (72) А.В.Станкевич и А.Г,Войтенко (56) Авторское свидетел ьство СССР M 1057830, кл. G 01 M 25/18, 1983. Серых Г,М, и др, Прибор для комплексного определения теплофизических харак. теристик, — Промышленная теплотехника, 1981, M 1, с,85 — 91. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к измерению теплофизических характеристик (ТФХ) и может быть испрльзовано при комплексном ; .изучении ТФХ материалов с теплопроводностью 0,1 — 5 Вт/(м К), а также для определения или контроля ТФХ реальных объектов без их разрушения. После установки измерительного зонда с эталонным образцом на Изобретение относится к измерению теплофиэических характеристик (теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности) материалов и может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства, где требуется комплексное определение теплофизических характеристик реальных обьектов без их разрушения, Известен способ для определения теплофизической характеристики-теплопроводности материалов и объектов беэ их разрушения. Способ включает одностороннее двухточечное тепловое зондирование поверхности образца с помощью двух стер„„. Ж„, 1783398 А1 2 исследуемый материал проводится роегистрация временной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образца, затем система измерительный зонд — исследуемый образец разогревается круговым нагрева т е л"ем,с постоянной элактрической мощностью и регистрируется временная зависимость перегрева центра нагревателя относителс ьiia начальной температуры. Способ позволяет сократить время, необходимое для выравнивания температур эталонного и исследуемого образцов, за счет регистрации временной зависимости скорости изменения перепада темпЕ1»атуры пб высоте эталонного образца перед проведением эксперимента по определению ТФХ, Это дает возможность, не дожидаясь полного"вы- равнивания температур в»рассматриваемой тепловой системе, начинать эксперимент по определению ТФХ. Следовательно, уменьшается время определения ТФХ. 1 ил. Сд жнеобразных зондов, измерение разности Ч ) температур между збндами и разности тем- QQ ператур на йекоойтактирухюхщих с образцом концах зонда с последу ощим опседеаени- ) ем теплопроводности по градуировочной зависимбсти. Недостатком известного способа является невозможность получения данных по температуропроводности материала, Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ опре. деления теплофизических характеристик (теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности) материалов и 1783398 объектов без их разрушения, состоящий в разогреве системы полубесконечных в теп. ловом отношении эталонного и исследуемого образцов круговым нагревателем с постоянной электрической мощностью и измеренйи перегрева центра нагревателя от-. носительно начальной температуры. Недостатком укаэанного способа является большое время получения результата (эначений теплофизических характеристик). Это связано с тем, что в системе термозонд-исследуемое тело перед началом опыта требуется обеспечить равномерное температурное поле. Указанное обстоятельство приводит к тому, что время, необходимое для выравнивания температур системы термозонд-исследуемое тело, может превышать длительность самого эксперимента в 5-10 раз в случаях, когда термозонд и исследуемый материал имеют разные начальные температуры. Цель изобретения — уменьшение времени определения теплофизических характеристик за счет исключения необходимости полного выравнивания температур исследуемого и эталонного образцов, Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических характеристик материалов, включающемуустановку измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый матерйал, разогрев системы измерительный зонд - исследуемый образец круговым нагревателем с поСтоянной электрической мощностью и регистрацию временной зави. симости перегрева центра-нагревателя относительно начальной температуры с последующим расчетом искомых величин по формулам, перед включением нагревателя дополнительно проводят регистрацию временной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эта.: лонного образца, Определейие теплофизических характеристик основано на закономерности развития двухмерного:температурного поля в двух полуограниченных телах с различными тепловыми свойствами, находящихся в идеальном:контакте с тонким круговым источником теплоты постоянной мощности. Избыточная температура,ЬТ (х) (перегрев относительно начальной температуры) цейтра "кругового источника теплоты определяется выражением: 2 No Vt 1 1,01. Ьэ о 2 а„ г Ь + Ь, 2 в, r ) где ab — удельная мощность источника теплоты; х- время; ax,а,Ьх,Ь вЂ” температуропроводность и 5 тепловая активность исследуемого и эталонного материала; го — радиус источника теплоты; ierfc х — кратный интеграл вероятности. Выражение (1) получено в предложе10 нии, что в системе из эталонного тела с круговым нагревателем, входящим в состав измерительного зонда, и исследуемого тела .перед началом эксперимента требуется обеспечйть равномерное температурное 15 поле. Однако в.реальных условиях указанное требование сразу после установки измерительного зонда на исследуемый материал в большинстве случаев не может быть выполнено,"так как зонд и образец 20 имеют различные температуры. Поэтому необходимо определенное время для выравнивания температур исследуемого и .эталонного образцов. Как показывают экспериментальные исследования, процесс 25 выравнивания температур может занимать более 40 — 50 мин, что на порядок больше времени ведения эксперимента. . Для уменьшения времени, обусловленного процессом выравнивания температур 30 эталонного и исследуемого образцов, дополнительно перед проведением эксперимента регистрируется временная зависимость f(z) скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образ35 ца. Полученные точки временной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образца аппроксимируются дробно-рациональной 40 функцией вида (2) 41 + Ьгх" " + ... + 4k + 1 где n Коэффициенты аь, Ь| выражения (2) рас50 считываются методом наименьших квадратов. Затем, не дожидаясь полного завершения выравнивания температур эталонного и исследуемого образцов, начинают про55 водить эксперимент (включают нагреватель). C учетом влияния незаконченного процесса выравнивая температуры формулы для определения теплофизических характеристик имеют вид; 1783398 5 6 для тепловой активности во переводится в режим регистрации временной зависимости скорости изменения 2 во vt перепада температур по.высоте эталонноrï го образца. Для этого через определенный (AT(r) — ЬТн — Jf (r} dr) Б 5 проме>куток времени снимаются показа- . b ния дифференциальной термопары 4 и после усиления, дифференцирования и где х-текущее время эксперимента; отсчи- преобразования в цифровую форму занотываемое от момента включения нагрева-. сятся в оперативный блок 12. Снятие точек теля; тп — полное время: rï =т +ти + о, 10 термограммы продолжается в течение вреrg =х „+rp где ти — время, в течение кото- мени r,. Затем снятие точек прекращается рого регистрировался ход временной зави- и процессор 15з выполняя программу, храсимости скорости изменения перепада нящуюся в постозяйном запоминающем блотемпературы по высоте эталонного образ- ке 13, аппроксимирует эксперимейтальные ца; rp — время, затраченное на обработку 15 данные с помощью выражения (1). Получен(аппроксимацию) указанной выше времен- нйе значения коэффициентов а1 и bj заносят ной зависимости; ЬТн — перепад темпера- в оперативный запоминающийся-блок 12. туры по высоте эталонного образца перед Для расчета указанных коэффициентов тайвключением нагревателя;, мер 18 задает заведомо достаточный интердля температуропроводности: 20 вал времени. Затем включается нагревателЬ и начинает проводиться эксперимент по опэх= гс, /(4r ierfc X) ); ределению теплофизических характери1 Ьэ + Ьх ..: .. Стик. Сигнал от дифференциальной 1,01 Ь» . тж: термопары 4 усиливается с помощьюусилит „. 25 теля 6 и через коммутатор 10 подается нэ (Ь + ba) ((ЛТ (r) — ЛТн — jf (r} dr), . аналого-цифровой преобразователь 11; Преобразованное в цифровую форму значе»ЫЪ " . и »4» на ре ателя. заносится в оперативный аа2 а, т J .: . 30 поминающий блок 12 через блок сопряжения 14. fäå !ег с X — обратная функция, определяю- После сбора данных искомые теплофищая аргумент х по известному значению зические характеристи.си рэссчйтыва)ются функции X = ierfc(x); по формулам (3 — 5) и выводятся на блок ин для теплопоовсдности . 35 дикации 16, х = >х Уах {5) : .. По сравненйю с прототипом предлагае- . ..Для осуществления способа может быть мый способ позволяет сократить время, неиспользовано устройство, структурная схе- обходимое для выравнивания температур ма которого изображена на чертеже,, эталонного и исследуемого образцов, за Схема включае измерительный зонд 3 40. счет регистрации скорости изменения во с эталонным образцом 2, нагревателем 1, времени перепад температуры по высоте дифференциальной термопарой 4 и термо- эталонного образца перед проведением парой для измерения абсолютной темпера- ..теплового эксперимента. Это позволяет не туры 5,усилители 6 и7термоЭДСте мопар, дожидаться полного выравнивания темпеуправляемый исто.ник тока нагревателя 8, 45 ратур в рассматриваемой тепловой системе дифференциатор 9, коммутатор 10, аналого- и- начинать эксперимент по определению цифровой преобразователь 11, оператив- теплофизических характеристик раньше и, ный запоминающий блок 12, постоянный следовательно, уменьшить время определезапоминающий блок 13; блок сопряжения ния теплофизических характеристик. 14, процессор 15, блок индикации 161 клави- 50 При практическсй реализации способа атуру 17, таймер 18. создана лабораторная экспериментальная Устройство работает следующим обрэ-: установка. Проверка работоспособности зом. способа проводилась путем сравнения реИзмерительныи зонд устанавливается зультатов измерений теплофизических хана исследуемый материал, оператор вводит 55 рактеристик стандартных образцов (стекло с клавиатуры 17 в оперативный запоминаю- КВ, ТФ-1, оргстекла, пенополистирол ПС1щий блок 12 исходные данные (радиус на- 100) при практически полном выравнива= гревателя, его сопротивление, значения нии температур (скорость изменения температуропроводности и тепловой актив- перепада температуры по высоте этэлонноности эталонного образца). Затем устройст- ro образца менее 0,1 К/мин) и с использова1783398 нием предлагаемого способа. Это позволило определить реальные значения величин в формулах (2)-(4). При Лt= tмин,,t<-5 мин, to - 2 с и скорости изменения перепада температуры к моменту включения нагревателя порядка 0,1-0,15 К/мин при сохранении точности определения теплофиэических характеристик использование предлагаемого способа уменьшило время получения результата в 2-3 раза. Составитель В, Станкевич Техред M,Mîðãåíòàë . Корректор Э. Лончакова Редактор Г, Бельская Зак,аз 4510 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 Формула изобретения Способ определения теплофиэических характеристик материалов, включающий установку измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал, разогрев системы измерительный зонд —, исследуемый образец круговым нагревателем с постоянной электрической мощностью и регистрацию временной зависимости перегрева центра нагревателя относительно начальной температуры с последующим расчетом искомых величин по формулам, о т.л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения времени определения теплофизических характеристик эа счет исключения необходимости полного выравнивания температур исследуемого и эталонного об5 разцов, перед включением нагревателя дополнительно проводят регистрацию временной зависимости f(i) скорости изменения перепада температур по высоте эталонного образца, а при определении 10 искомых характеристик учитывают влияние незаконченного процесса выравнивания температуры через <и f s(r)a(r);---15 . где t- текущее время эксперимента, отсчитываемое с момента включения нагревателя: r — полное время, равное х+ гя+ z, ти — время. в течение которого регистрировалась |(ч); r< — время, затраченное на обработку (Ф % = Ти + о. 
