Способ комплексного измерения коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов на образцах в виде пластины

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ii>920489 (6I } Дополнительное к авт. свид-ву (22} Заявлено 15. 09.80 (21) 3001968/18-2 с присоединениеи заявки М (53)М. Кд.

6 01 И 25/18

Гяяудярстннннй книнтнт

СССР яя делам нзнбретеннй н етнрытнй (23) Приоритет !

Опубликовано 15.04.82. Бюллетень М 14 (53) УД3(536 63 (088.8) Дата опубликования описания 15 .04.82

8.A. Рыков (72) Автор, изобретения

) Ленинградский технологический.инсти холодильной промышленности ч (71) Заявитель (54j СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИЗИЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕИПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕИКОСТИ ТВЕРДЫХ

ИАТЕРИАЛОВ ИА ОБРАЗЦАХ В ВИДЕ ПЛАСТИНЫ

Изобретение относится к измерениям теплофизических свойств твердых материалов и предназначено для использования в практике .теплофизических лабораторных исследований при

5 изучении свойств диэлектриков, полупроводников,, металлов и сплавов.

Известен способ определения коэффициента температуропроводности, заключающийся в том, что лазерный импульс подают на одну сторону плоского образца и измеряют изменение по времени температуры другой стороны.

Для измерения теплоемкости этого же образца используют непрозрачный . диск из стеклообразного графита,который приводят в непосредственный тепловой контакт с образцом со стороны воздействия лазерным импульсом .(1g.

Недостаток данного способа заключается в том, что теплоемкость и. температуропроводность испытуемого об" разца нельзя измерить одновременно в ходе одного эксперимента, так как наличие непрозрачного диска не позволяет измерить коэффициент температуропроводности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, включающий нагрев световым импульсом образца и измерение температуры его поверхности (23.

Недостаток этого способа заключается в том, что энергию световогоимпульса, поглощенную на переднем торце образца в ходе эксперимента не измеряют, что приводит к погрешности измерения теплоемкости, достигающей 153.

Целью изобретения является повышение точности измерения теплоемкости.

Эта цель достигается тем, что согласно способу комплексного измерения коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов

c — „" -(ю (ит)(1а -с„ат )),«>

30 где T> - повышение температуры в образце, возникшее в результате действия светового импульса и измеренное после того, как температурное поле в образце выравнивается (К1;

hT — повышение температуры полупрозрачной пластинки, возникшее в результате

40 действия светового импульса и измеренное после того, как температурное поле. выравнивается (K3 (о - энергия светового импульса (Дж); (- коэффициент поглощения полупрозрачной пластинки;

- коэффициент пропускания полупрозрачной пластинки;

С - теплоемкость полупрозрачной пластинки (Дж К "1;

Г. -. теплоемкость испытуемого бразца 1Дж K "1 безразмерный параметр.

Параметр у определяется из опыта с эталонным образцом (c известной теплоемкостью (С ), имеющим тот же

3 92048 на образцах в виде пластины, включающему нагрев световым импульсом образца и измерение температуры его поверхности, на пути светового импульса перед образцом помещают полупрозрачную пластинку с известными свойствами, измеряют максимальное повышение температуры пластинки и по полученным данным определяют коэффициент температуропроводности и теплоемкость.

1О

На чертеже изображена тепловая схема, реализующая данный метод.Световой импульс 1 подают на образец 2 через полупрозрачную пластинку 3 и при помощи, например, термопар 4 и 5

1$ измеряют температуру полупрозрачной пластинки и задней поверхности образца.

Полупрозрачная пластинка исполь. зуется для того, чтобы измерить энер° zo гию светового импульса, поглощенную на переднем торце образца, которая в .известном способе непосредственно не измерялась.

Теплоемкость образца рассчитыва 25 ется по формуле диаметр и расположенного на том же расстоянии от полупрозрачной пластинки, что и испытуемый образец

a (y ц-(„дт «с .ьт)

"и " - т 0 где С - теплоемкость эталонного образца (Дж.К "j Т - повышение температуры в эталонном образце, возникшее в результате действия светового импульса и измеренное после того, как температурное поле в образце выравнивается (К).

Бсли учесть многократные отражения в системе полупрозрачная пластинка-образец, можно показать, что параметр у на зависит от коэффициента отражения R поверхности образца. Для того, чтобы определить параметр " с минимальной погрешностью, необходимо выбрать эталонный образец с поверхностью, коэффицйен отражения которой близок к 1.

Коэффициент температуропроводнос- . ти определяют по известной Формуле

1,38 с1, 5 "p5 где с1 - коэффициент температуропроводности испытуемого образца (м . с j"

d — толщина образца м1

То - время достижения половиI ны максимального значения температуры задней поверхности образца (см.фиг.1) (с Q, По формулам (1) и (3) определяют теплоемкость испытуемого образца, и его коэффициент температуропроводности. При определении теплоемкости не нужно знать коэффициент поглощения К поверхности испытуемого образца.

Рассмотрим конкретный вариант реализации предложенного cnoco6à.

Возьмем в.качестве испытуемого образца медную цилиндрическую пластинку с радиусом R 5 .10 f.10 м и толщиной d = 10 1(Г м. Эталонный образец представляет собой медную пластинку с такими же геометрическими размерами, посеребренной передней поверхностью и теплоемкостью

С> 0,270 0,001 Дж.К ". В каче20489

5 9 стве полупрозрачной пластинки возьмем пластмассовую пластинку радисом P tl = 5-l0 Т 10 м и толщиной

de = 0,5 ° 10 + 1.0 м, теплоемкостью . C л = 0,1030 t. 0,0007 Дж -K ", коэф. Фициентом поглощения (= 0,056+

0,003 и коэффициентом пропускания = 0,430+ 0,03.

Подадим от лазера, например,типа ГОС-30;.световой импульс длительностью l мс.с энергией в импульсе 0> = 1,0,50+ 0,005 Дж на эталонный образец через полупрозрачную пластинку, расположенную параллельно торцовой поверхности -бразца и отстоящую от нее на расстоянии

0,5. t0 м. После того, как темпера-Ь турные поля в пластинке и в эталонном образце выравняются, измеряем подъем температуры в них. При измерении получаем дТп = О, l4+0,01 К . и. дТ = 0,32+ 0,01 К. Затем, рас- . считывая по формуле (2), коэффиЦиент "г имеем = 0,651 0,061.

Заменим эталонный образец исследуемым и после подачи светового импульса и измерения температуры получим дТ 2,74+ 0,01 К и дТп =

= б,2 +0,01 К. Теперь по Формуле (1) рассчитываем значение См и в результате получим С„„ = 1,020 < 0,021 Дж-К " таким образом, относительная погрешность теплоемкости См при ее измерении предлагаемым способом составит

2,13.

В известном же способе (21расчет.3 ная формула для теплоемкости имеет, вид

В то же время из Формулы (l) следует, что точность измерения теплоемкости С определяется только точностью измерения температуры и энергии светового импульса и существенно выше,чем в известном способе P2).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшить относительную погрешность при определении теплоемкости до 1-23 и дает возможность предварительно не полировать поверхность переднего торца и не использовать эталонные покрытия, что упрощает процесс определения теплоемкости.

Расстояние между полупрозрачной пластинкой 2 и передним торцом образца 3, которое составляет примерно

0,05-0, 1 диаметра полупрозрачной пластинки, выбирается таким для того, чтобы потери световой энергии через зазор между полупрозрачной пластинкой и образцом составляли не более 14 полной энергии светового .импульса.

Более значительные потери энергии светового импульса через указанный зазор приводят к существенному снижению точности, при определении теп" лоемкости предложенным способом.

Коэффициент температуропроводности рассчитывается по Формуле (3) с той же точностью, что и в известном способе 2 ).

Предлагаемый способ можно использовать при изучении теплофизических свойств диэлектриков, полупроводников, металлов и сплавов, а также при создании промышленных теплофизических приборов..В где К " коэффициент поглощения переднего торца испытуемого образца, и, очевидно, что погрешность теплоем45 кости См в этом способе не меньше, чем погрешность коэффициента поглощения К.

Если использовать в способе (2) эталонные покрытия, то можно показать, что относительная погрешность при определении К а, следовательно, и теплоемкости, составляет 10-154.

Необходимо подчеркнуть, что уве- личение точности при измерении температуры и энергии светового импульса не позволяет существенно увеличить точность определения теплоемкости по способу t2).

Формула изобрет ения

Способ комплексного измерения коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов на образцах в виде пластины, включающий нагрев световым импульсом образ" ца и измерение температуры его поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, на пути светового импульса перед образцом. помещают полупрозрачную пластинку с известными свойствами, измеряют максимальное повышение температуры пластинки и ло полученным данным onределяют коэффициент температуропроводности и теплоемкость.

Составитель 8. Битюков

Техред С. Мигунова Корректор 6. Макаренко

Редактор Н. Горват

Заказ 2325/44 Тираж 833 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ПЯП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

7 920489 8

Источники информации, Меййотй". 2 of NucI Science айй принятые во внимание при экспертизе TechnoIogy 1975, 12.03 р.р. 133-144.

2. Парцхаладзе К.Г. Сб„. Исследоl. Y. Takahashi, H. hrabayashi, . вания в области тепловых измерений. 74esurenent of ThermaI Properties of 5 Изд-во Стандартов, М., 1971, IMcIear bhteriaI by Lazer FIash с.с, 35-37 (прототип) .