Способ определения теплофизических характеристик материалов

 

О П И С А Н ЙЕ

ИЗОБРЕТЕИИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«»748207 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (51)M. Кл. (22) Заявлено 26.1277 (2 f ) 2559939/26-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 15.07,80. Бюллетень № 26

Дата опубликования описания 150780

С 01 и 25/18

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 536 (088 ° 8) (72) Автор изобретения

В.С.Кошман (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК MATEPHAJIOB

Изобретение относится к области тепловых испытаний и может быть использовано при комплексном определении теплофизических характеристик 5 электропроводных материалов и диэлектриков, в основном при высоких температурах (1200-3000 К).

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, 1О состоящий в воздействии на поверхность образца кратковременным тепловым потоком и регистрации изменения температуры на некотором удалении от этой поверхности, а также подводимой мощности (1) .

Разрешающая способность этого способа ограничена — он требует зна чительных изменений температуры на поверхности образца. Указанное обстоятельство ограничивает, в частности, применение этого способа при вы.соких температурах исследования.

Более совершенным в отмеченном смысле является способ определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в воздействии на поверхность образца в виде диска или пластины периодически изменяющимся тепловым потоком, регистрации фазового сдвига и амплитуды температурных колебаний (21 .

Недостатком способа является ограничение точности вследствие внесения погрешности при определении мощности, вводимой в образец.

Целью предложения является повышение точности способа — прототипа.

Цель достигается тем, что одновременно с исследуемым образцом подвергается идентичному воздействию эталонный образец той же конфигурации, а фазовый сдвиг температурных колебаний регистрируют между поверхностями образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию теплового потока, и искомые характеристики вычисляются по формулам: а= й= (Э

С=С вЂ” —.— — +YC (2)

) э оз абаз

) Ю т С

Здесь обозначения без индекса от« носятся к исследуемому образцу, а с индексом "э" — к эталонному, а, с, Р коэффициент температуропроводности, удельная теплоемкость образца

748207

65 и плотность материала образца; б — толщина образца Ь Р--Ф - — фазовый сдвиг, u3 — угловая частота, ЬТ— амплитуда колебаний температуры .А —. )- —.(г)

Я д 6 коэффициент, учитывающий неидентичность теплоотдачи с поверхностей образцов, Bi, Fo — критерии Био и

Фурье, о(— коэффициент теплоотдачи, — степень черноты, R — радиус образца, Расчетные уравнения (1), (2) получаются на основании дифференциальных уравнений тепловых балансов для образцов, включающих воздействующее на образец количество тепла, аккумулированную, отдаваемую в среду и отраженную era составляющие. При этом используются условия идентичности тепловых воздействий на исследуемый и эталонный образец, а также условия

8.«), 8 о. (3)

1, Го (; (4)

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1.

Устройство состоит из следующих основных узлов: испытательной камеры 1, источника 2 модулированного теплового потока, эталонного 3 и исследуемого 4 образцов, фотоприемников 5, б и 7, регистрирующих (см. фиг.1) как колебания температуры на поверхностях образцов 3 и 4, противоположных поверхности воздействия теплового потока (соответственно фотоприемники 5 и б, так и колебания теплового потока.(фотоприемник

7), идентичных каналов 8, 9, 10 усиления и многоканального быстродействуюцего регистрирующего прибора 11.

Кроме того, устройство включает в, свой состав приборы для определения опорных значений температуры (на структурной схеме не показаны) эталонного 3 и исследуемого 4 образцов.

При определении теплофизических характеристик с помоцью источника 2 модулированного теплового потока обеспечивают идентичный нагрев эталонного 3 и исследуемого 4 образцов, установленных в испытательной камере 1. По истечении некоторого времени в исследуемом 3 и эталонном 4 образцах реализуют режим плоских температурных волн, что обеспечивается использованием образцов 3 и 4 в виде пластин малой толщины. Колебания температуры на поверхностях образцов

3 и 4, противоположных поверхности воздействия теплового потока, а также колебания самого теплового потока регистрируются с помощью фотоприемников (соответственно 5, б и 7) .

3S

Сигналы на выходе фотоприемников 5, б и 7 усиливаются с помоцью идентичных каналов усиления 8, 9 и 10 и фиксируются с помоцью многоканального быстродействующего регистрирующего прибора 11 (см.фиг.1).

Наличие фотоприемника 7 и канала

8 усиления обесйечивает возможность контроля эа температуропроводностью материала эталонного образца 3 в ходе проведения эксперимента.

Опорные значения температуры эталонного 3 и исследуемого 4 образцов определяют с помощью приборов для определения опорных значений температуры (на структурной схеме не показаны), например, с помощью оптических пирометров, предварительно отградуированных на образцовой температурной лампе с учетом поглощения света в окнах испытательной камеры 1. Проверку каналов 8, 9 и 10 усиления на идентичность производят по источнику излучения, в качестве которого может быть использована, например, обычная лампа накаливания.

Поскольку для определения удельной теплоемкости исследуемого материала необходимо знание температурной зависимости и абсолютных значений степени черноты, на исследуемый образец 4 наносят пленочное покрытие из материала с известной степенью черноты. Аналогичное покрытие может быть нанесено и на эталонн11и образец 3.

Следует отметить, что с ростом опорных значений температуры точность предлагаемого способа возрастает, так как пропорционально температуре растет сигнал излучения, регистрируемый фотоприемниками 5, б и 7. Способ реализуем как в вакууме, обеспечивающем условия теплоизоляции образцом 3 и 4, так и в инертной среде.

Способ в соответствии с изобретением выгодна отличается от прототйпа тем, что в нем исключена необходимость измерения значений моцности подводимого теплового потока и абсолютных значений амплитуды колебаний температур в области малых регистрируемых параметров. Эти отличия обеспечивают повышение точности °

Кроме того, поскольку коэффициент

Y в формуле (2), учитывающий неидентичность теплоотдачи в среду с поверхностей образцов, по сути дела представляет собой разность малых критериев Био для образцов из эталонного и исследуемого материалов, то при выполнении условий (3) и (4) и наличии достоверных данных о степени черноты материалов предлагаемый способ обеспечивает достижение точности в определении теплофизических характеристик исследуемых материалов, сопоставимой с эталоном.

748207

Формула изобретения ратуры дт Г о р ц Сд.

Рэ

Составитель В.Вертоградский

Техред M. Петко Корректор М.Вигула

Редактор Т.Кузнецова

Заказ 4224/29 Тираж 1019 . - Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. УжГород, ул. Проектная, 4

Способ определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в воздействии на поверхность образца в виде диска или пластины 5 периодически изменяющимся тепловым потоком, регистрации фазового сдвига и амплитуды температурных колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, одновременно с исследуемым образцом подвергается идентичному тепловому воздействию эталонный образец той же конфигурации, а фазовый сдвиг температурных колебаний регистрируют между поверхностями образцов, противолежащих поверхностям, подвергающимся воздействию теплового потока, и искомые характеристики вычисляются по формулам

2. 20 оэ д

g ° Юц — <,414 Ь «) э рр3 э AT T6

25 где обозначения без индекса относят ся к исследуемому образцу, а с индексом "э" — к эталонному, а, с, P — коэффициент температу- 3О ропроводности, удельная теплоемкость, плотность материала об-, разца;

СР— толщина образца, Ь Р= Рэ- Р— фазовый сдвиг,Ш— угловая частота колебаний температуры, AT — амплитуда колебаний темпекоэффициент, учитывающий неидентичность теплоотдачи с поверхностей образцов;

Bi, Fo критерии Био и Фурье, <А — коэффициент теплоотдачи, Š— степень черноты, R — радиус образца (R=R>).

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1; Дмитрович А.Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов. M., Госстройиздат, 1963, с. 72-74.

2. Краев О.A., Стельмах А.А. Сб.

"Исследования при высоких температурах", Новосибирск, СО AH СССР, "Наука", 1966, с. 55-73.