Способ определения теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов. На поверхность исследуемого материала осуществляют многократное тепловое импульсное воздействие двумя точечными электронагревателями, выделяющими заданное количество тепла, изменяющееся после подачи каждого последующего импульса. Две термопары фиксируют температуру поверхности в заданных точках. Расчет теплофизических характеристик (коэффициентов тепло- и температуропроводности) осуществляется по формулам, приведенным в описании. Достигнуто снижение энергопотребления источником тепла и повышение оперативности определения ТФХ материалов. 2 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения коэффициента температуропроводности полуограниченного тела в виде стержня, основанный на регистрации интервала времени с момента подачи теплового импульса до момента, соответствующего достижению наперед заданного соотношения между температурами двух разноотстоящих от нагреваемой поверхности точек (aвторское свидетельство CCCP N 258665, МКИ G 01 N 25/18, 1970 г.).

Недостатком данного способа является высокое энергопотребление источником тепла и низкая точность определения температуропроводности.

Значительно повысить точность определения теплофизических характеристик (ТФХ) позволяют способы с многократным тепловым воздействием на исследуемый материал.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (Авторское свидетельство CCCP N 1728755, МКИ G 01 N 25/18, 1992 г.), на теплоизолированной поверхности исследуемого материала устанавливают линейный источник тепла, осуществляют многократное тепловое воздействие на исследуемый 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 соответствует заданному ряду чисел. Коэффициенты тепло- и температуропроводности определяют по формулам a=x²/4·F, (1) (2) где a и λ - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности, x - заданное расстояние от линии действия источника тепла до термодатчика, e - натуральное число, Q - энергия, выделяемая единицей длины линейного нагревателя, F - частота следования импульсов, T₁ - избыточная температура в момент подачи второго теплового импульса на расстоянии x от источника тепла.

Период следования импульсов τ_max = 1/F определяется выражением (3) Недостатком этого способа является недостаточное быстродействие, а также высокое энергопотребление источником тепла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергопотребления источником тепла и повышение оперативности определения теплофизических характеристик (ТФХ) материалов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Hа теплоизолированную поверхность исследуемого материала помещают два точечных источника тепла Q₁ и Q₂ и два датчика температуры (термопары), причем первую термопару Тп1, регистрирующую температуру T1, располагают в точке M₁ на расстоянии R от источника Q₁ и на расстоянии от источника Q₂, а вторую термопару Тп2, регистрирующую температуру T2, в точке M₂ на одинаковом расстоянии от Q₁ и Q₂.

В момент начала измерения (τ = 0) оба точечных источника одновременно импульсно выделяют количества тепла Q и 3Q соответственно. После подачи тепловых импульсов фиксируют момент времени τ = τ₀ равенства температур T1 и T2 на поверхности исследуемого материала.

В момент времени τ = τ₀ точечные источники Q₁ и Q₂ вновь осуществляют одновременный нагрев исследуемого материала, причем количество тепла, выделяемое точечным источником Q₂, остается неизменным и равным 3Q, а точечный источник Q₁ выделяет количество тепла C₂Q, где C₂ - постоянный коэффициент, методика расчета которого приведена ниже.

Коэффициент C₂ подобран так, что равенство температур T1 и T2 после подачи второй пары импульсов от точечных источников Q₁ и Q₂ будет достигнуто в момент времени τ = 2τ₀. В момент времени τ = 2τ₀ точечные источники Q₁ и Q₂ одновременно выделяют количество тепла C₃Q и 3Q соответственно, где C₃ - постоянный коэффициент, обеспечивающий равенство температур T1 и T2 в момент времени τ = 3τ₀ и т.д.

Интервал времени τ₀, соответствующий периоду повторения импульсов, определяется выражением (4) (5) где F = 1/τ₀ - частота следования импульсов.

Коэффициент теплопроводности определяют по формуле
(6)
где температура в точке M₁ в момент времени τ = nτ₀.
(7)
Коэффициенты C₂, C₃, ..., C_n обеспечивают постоянство периода повторения импульсов τ₀ и могут быть найдены из рекуррентного соотношения
(8)
где C₁ = 1.

Из сравнения выражений (3) и (4) видно, что при равенстве расстояний R и x период повторения импульсов в предлагаемом способе в ln3 раза меньше, чем в способе-прототипе. Таким образом, за счет меньшего периода повторения импульсов предлагаемый способ обеспечивает большее быстродействие, чем способ-прототип.

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа. На теплоизолированную поверхность исследуемого материала 1 помещают точечные источники тепла 2 и 3 (Q₁ и Q₂ - соответственно) и датчики температуры (термопары Тп1 и Тп2) 4, причем первую термопару Тп1, регистрирующую температуру T1, располагают в точке M₁ на расстоянии R от источника Q₁ и на расстоянии от источника Q₂, а вторую термопару Тп2, регистрирующую температуру T2, в точке M₂ на одинаковом расстоянии от Q₁ и Q₂, производят многократное тепловое воздействие импульсами заданной энергии на исследуемый материал, после чего фиксируют частоту следования импульсов и избыточную температуру в точке M₁. На основании полученных данных коэффициенты температуро- и теплопроводности рассчитывают по формулам (5) и (6) соответственно.

На персональной ЭВМ IBM 486/DX-4 было проведено машинное моделирование процесса измерения теплофизических характеристик предлагаемым способом для восьми (n = 8) импульсов при R = 0.002 м и Q = 0.1 Дж. В качестве исследуемого был взят материал с коэффициентом теплопроводности λ = 1.2 Bт/м·K и коэффициентом температуропроводности a = 1.0·10^-6 м²/с. В процессе моделирования были получены величины времени τ₀ = 0.9102 c и температуры по формуле (7) рассчитан коэффициент S₈ = 2.5236 и по формулам (5) и (6) найдены соответствующие коэффициенты:
- коэффициент теплопроводности λ = 1.2 Bт/м·K,
- коэффициент температуропроводности a = 1.0·10^-6 м²/с.

Результаты моделирования приведены на фиг. 2.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить оперативность измерений и значительно снизить энергопотребление источником тепла.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий многократное тепловое воздействие на исследуемый материал, измерение температуры его поверхности в двух заданных точках, отличающийся тем, что на теплоизолированную поверхность исследуемого материала помещают два точечных источника тепла Q₁ и Q₂, выделяющих после каждого очередного теплового импульса заданную энергию, две термопары располагают соответственно: первую на расстоянии R от точечного источника Q₁ и на расстоянии от точечного источника Q₂, вторую - на одинаковом расстоянии от Q₁ и Q₂, производят многократное тепловое воздействие на исследуемый материал, после чего фиксируют период следования импульсов, соответствующий времени достижения равенства температур в точках расположения термопар и температуру в точке расположения первой термопары, а коэффициенты тепло- и температуропроводности рассчитывают по формулам


где C₁ = 1, коэффициенты C_i (i = 2, 3, ..., n-1) рассчитывают по формуле

а и λ - коэффициенты температуро- и теплопроводности;
Q - заданное количество тепла;
R - расстояние между первой термопарой, регистрирующей температуру T1, и точечным источником тепла Q₁;
F - частота следования тепловых импульсов;
температура поверхности исследуемого материала в точке контроля в момент времени τ = nτ₀;
τ₀ = 1/F - период следования тепловых импульсов;
n - число осуществляемых тепловых воздействий.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2