Способ измерения теплофизических характеристик материалов

(51) 5 0 01 К 25/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) 4734846/25 (57) Назначение: изобретение относится к (22) 17.07,89 теплофизическому приборостроению и (46) 23.08.92. Бюл. М 31 предназначено для исследования теплофц- (71) Институт сверхтвердых материалов АН зических характеристйк материалов, СущУССР ность изобретения заключается в том, что (72) Л.К.Шведов и А,В.Золотухин . образец и эталон помещают в одинаковые (56) Ваацеаз 0 Газтйегпча сЛозчту условия теплообмена с окружающей срегпеазцгевептз МгЬ а паче сеарегаыге-Тве дой, одновременно нагревают одинаковь ми 1 зтогу апаузэ, Ргос. 8 Яущр., 1981, ч 2, йеа тепловыми импульсами их передние поверхУогс, 1982, р. 87-93, ности и измеряют температурное приращеАвторское свидетельство СССР ние задних поверхностей. Теплофиэические М 451004, кл. 6 01 М 25/20, 1972 характеристики образца рассчитывают учитывая тепловые потери с образца и эталона, (54) СПОСОБ. ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИ-. Которые определяют при идентичныхуслови- ЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ ях теплообмена на образце и эталоне. 3 начал це, т.е плового моменту Изобретение относится к теплофиэиче- времени =0, когда тепловые потери также скому приборостроению и предназначено равны нулю.для исследования теплофиэических харак- Недостатком данного способа является теристик(ТФХ) материалов.,низкая точность измерения температуроп- ОИзвестен способ измерения ТФХ, за- роводности, особенно в случае длительно- ОР ключающийся в анализе изменения темпе- сти теплового импульсати, соизмеримого с ратуры задней поверхности образца, временем прохожденйя тепловой волны чевызванного распространением в нем двух- . рез образец, когдамерного теплового потока от воздействия И/2=100 ги (2).мгновенного теплового импульса на его пе- Наиболее близким к предлагаемому реднююпдверхностьсучетом неограничей- способу является способ, согласно котороных по величине тепловых потерь. Аиалйз му определяют теплоемкость исследуемого заключается в определении совокупности образца путем подачи короткого теплового температуропроводностей а для ряда тем- импульса как на исследуемый образец, так ператур этого изменения вблизи его начала, и на эталон и измеряют повышения их темаппроксимацией ихметодом наименьших квад- . ператур.ратовлногочленомвторогопорядкавида Исследуемый образец и эталон берута(фа 0+аЗ (1) , малых размеров одинаковой простой фори экстраполяцией его к у те мы, например, полудиски, толщйной 1-2 мм распространения в образ . к .и диаметром двух полудисков 10 мм, Для50 55 равенства поглощаемой тепловой энергии, т.е, стабилизации коэффициента поглощения, на их поверхности наносится тонкое зачерняющее покрытие, например платиновая чернь, со стабильными оптическими ха рактеристиками в измеряемом диапазоне температур, Расчетные формулы получены без учета теплообмена исследуемого образца и эталона с окружающей средой.Недостатком данного способа является 10 низкая точность измерения особенно при наличии тепловых потерь с поверхности образца.Например, при высокотемпературном измерении теплоемкости полимерно-ком позиционных материалов рабочий обьем измерительной ячейки необходимо продувать слабым потоком инертного газа для удаления продуктов деструкции, что вызывает бОльшие конвективные потери с повер хности образца. Поэтому при применении рассматриваемого способа измерение теплоемкости можно проводить для высоких температур только в вакууме с ограничением верхнего предела температуры, когда 25 критерий Био В 1 и теплообмен образца с окружающей средой можно не учитывать в расцетах.Целью изобретения является повышение точности особенно при наличии тепло вых потерь с поверхностей образца и эталона.Поставленная цель достигается тем, что образец и эталон помещают в одинаковые условия теплообмегга с окружающей сре дой. одновременно нагревают одинаковыми тепловыми импульсами их передние поверхности и измеряют температурное приращение задних поверхностей.В случае мгновенного теплового им пульса, когда не выполняется для образца и эталона неравенство (2) рассчитывают температуроп роводность эталона (а 2) согласно известной методике и сравнивают с его паспортным значением (аэ). 45 ЕСЛИ а 2 Фаэ, ИЗМЕНЯЮТ, НаПРИМЕР, МЕтО- дом половинного деления полученную из расчетов с погрешностью 15 -ную величину максимвльного приращения температуры задней поверхности эталона - Тп 2, если бы тепловые потери с его поверхности отсутствовали и рассчитывают а 2 до тех пор, пока а не будет равна аэ с пренебрежимо малой погрешностью, Тогда, относительная погрешностьопределенйя полученного значения ТП,2, которое обозначают как Тпэ, определяется выражением ЬТпэ/Тпэ=4 Л аэ/аэ. Считая, цто изменение величины Тоа поотношению к Тпэ в реальном случае вызвано исключительно тепловыми потерями споверхности эталона, а их величина одинакова для образца и эталона, так как создаютдля них идентичные условия теплообмена сокружающей средой и изменяют значениеТгп 1, полученное для образца, на ту же величинУ, на котоРУю отличаетсЯ То 2 и Тюэ Но.вое значение Ти, обозначенное как Тпо,является величиной максимального приращения температуры заднейповерхности образца, если бы тепловые потери с егоповерхности отсутствовали, Погрешностьопределения Тпо при равенстве тепловыхпотерь образца и эталона и инструментальных погрешностей измерения их температур равна погрешности определения" ТвэИспользуя полученное таким образоьгзначение То, рассчитываем согласно известных выражений температуропроводностьобразца ао. Кроме того, если принять, чтоэнергии тепловых импульсов, поглощенные переднимй поверхностями образца иэталона одинаковы, то можно определитьвеличину этой энергии О, а, зная 0 и Тпо,рассчитать теплоемкость и теплопроводность образца.Если же длительность теплового импульса 7 соизмерима с временем прохождения тепловой волны через образец ивыполняется неравенство (2) для образца иэталона, то температуропроводность, рассчитанная согласно приведенной методике,имеет дополнительную погрешность, вызванную конечной длительностью ти. Исключение этой погрешности, достигающей20/необходимо проводить всякий раз,когда рассчитывается температуропроводность обоазца и эталона согласно выражению:ао=0,7 ао 11/2 йс,где 1/2- время достижения температурного приращения образца половины своегомаксимального значения для адиабатиче ского случая без учета длительности теплового импульса, сао, ао - температуропроводйость образца с учетом и без учета длительноститеплового импульса, м /с;тс - характеристическое время, определяемое выражениемт 2=12/(гГ а) (С),где 1 - толщина образца.ф орлул а из обрете ни яСпособ измерения теплофизических характеристик материалов, заключающийся водновременном импульсном нагреве передних поверхностей образца и эталона, из1756809 Яо=ао Срэ /Ъ 9 э/ о)Твэ/Тво) Составитель Л. ШведовТехред М.Моргентал Корректор И. Муска Редактор Н. Рагулич Заказ 3085 . Тираж .; Подписное ВНИИПИ Государственного комитета. по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва; Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 мерении температурного приращения их задних поверхностей и измерении его максимального значения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, особенно при наличии тепловых потерь с поверхностей образца и эталона, на образце и эталоне обеспечивают одинаковые усло-. вия теплообмена с окружающей средой, причем максимум Твэ температурного приращения эталона определяют путем подбора, начиная с его измеренного значения Тоыдо значения Твэ, когда обеспечивается совпадение паспортной и расчетной величин температуропроводности эталона, затем определяют уточненное значение максимума Тп 1 о температурного приращения образца введением поправки, учитывающей одинаковый теплообмен эталона и образца, равной разности между расчетной и измеренной величинами максимума температурного приращения эталонаТаэ-Твэ 11,а затем, йспольэуя уточненные зчачения максимумов Тоэ и То 1, определяют температуропроводность по известным выражениям, а удельную теплоем кость и теплопроводность рассчитывают по форму ламСро=Срэ(Дэ//ЪКэ/рКТвз/Тво) 10 где ао, Сро. ро,о - температуропроводность, удельная теплоемкость, плотност 2 ь и толщина образца соответственно м /с, Дж/кг.К, кг/мз, м;Срэ., з - удельная теплоемкость, плот-, 15 ность и толщина эталона соответственнбДж/кг К, кг/м, м;Тео, Таэ - максимумы температурныхприращений образца и эталона с учетом тепловых йотерь, К.20