Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов

Севз Советских Социалистических Республик.79 (21) 2846292/18-26аявки М 9 сударственнмй комнт ССС Р но делам изобретений и открытийС 01 Н 25/1 о 2 3.0 8.8 1; Б Опубл иков Дата опубл летен 53) У 6.6 88. ованияописания 2308 72) Авторы изобрете В.В.Куре с,с4 щильной Е.А.Бело. Левочкин Л й технологический институт хо промышленности(71) Заявитель 54) СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ достигается темобласти коностью материала Изобретение относится к исследованию Физических свойств веществ, аименнс к измерениям теплойизическихсвойств, и может быть исп.,льэованов теплофизическом приборостроении.Известен способ измерения теплофизических свойств материалов, по которому теплопроводность определяютпутем измерения момента времени, соот-оветствующего достижению максимума температуры поверхности тела на некотором расстоянии от точечного нагревателя, на который подается кратковременный тепловой импульс. Нагревательрасполагается между исследуемым телом и эталоном в виде резиновой пластины. Для получения значения теплопроводности необходимо предварительно получить градуировочную кривуюзависимости времени максимума температуры от теплопроводности на набореэталонных материалов 1,Недостатками этого способа являются невозможность измерения температуропроводности, большое время подготовки к измерению, требуемое длявыравнивания температурного поля висследуемом материале и эталоне,неОбходимость градуировки по наборуэталонов. Наиболее близким к предлагаемому является способ комплексного измерения теплопроводности и температуропроводности, основанный на создании постоянного теплового потока через круг на поверхности полуограниченного тела и измерении температуры в центре круга в кратные моменты времени с последующим вычислением значений измеряемых параметров по заранее протабулированным кривым, Постоянный поток создается лампой накаливачия, а температура измеряется прижимаемой к телу термопарой с 23,Однако при нагреве лучистым потоком необходимо знать степень черноты поверхности исследуемого тела, что представляет собой сложную техническую задачу, При этом чернение поверхности специальными смесями может из менить тепловые свойства материала. Кроме того, термопара попадает в зону действия теплового потока, что затрудняет измерение температуры.Цель изобретения - повышение точности измерений беэ разрушения исследуемого материала.Поставленная цельчто в течение опыта втакта зонда с поверхнтемпература, поддерхиваемая в круговой области контакта зонда и исследуе Ого материала;радиус области контакта;коэфФициент теплопроводности;коэффициент температуропроводности;время от начала опыта 1 где Т безразмерный критерий Фурье;Ргс(х) - функция ошибокНачиная с некоторого момента времени(зависящего от температуропроводности материала) поток в области контакта перестает изменяться 1 ТИзмеряя значенияп.и величину поддерживаемой температуры То можно определить . материала. Отношениесай пРедставляет собой универсаль-. ную функцию от критерия Го. Зная величину стац,и измеряя в определенподдерживается постоянная температура, отличающаяся от начальной температуры материала.Способ осуществляется следующимобразом,На плоский участок исследуемогоматериала устанавливается зонд,создающий в круговом пятне контактной поверхности постоянную температуру, которая может превышать начальную температуру материала на 10-20 К,Зонд позволяет измерять температуру на поверхности и тепловой поток,входящий в поверхность. Такой зондможет выполняться на разных принципах, например, о использованиемплоских, контактных тепломеров илиэнтальпийных тепломеров. Температура поверхности измеряется термопаройили термометром сопротивления,В течение опыта в определенныемоменты времени измеряются тепловойпоток, поступающий из зонда в материал, и температура контактнойповерхности.Формулы для вычисления теплопроводности и температуропроводностиполучаются из решения нестационарного уравнения теплопроводности дляполуограниченного тела с постояннойтемпературой в круговой области поверхности, При этом, если принятьначальную температуру тела равнойнулю (приняв ее эа начало отсчета),для потока тепла через центр круга(Ро ) справедливо выражениеные моменты времени тепловой поток1,(7), можно определить значения Го,для моментов замера потока , а значит и вычислить температуропроводность по формуле 1-Значения времени, начиная с которых соотношение выполняется с точностью% для разных значений температуропроводности исследуемого материала и радиусов Н области нагрева приведены в таблице В=1 10 Э м В=З 1 О м В=5 10 м 1 5,с ,с 110 15 135 10 1,5 13,5 375 37,5 3,75 10 " 0,15 3,35 Из таблицы видно, что варьируярадиус зонда можно регулировать время измерения в широких пределах.В предлагаемом способе тепловойпроцесс протекает на два порядка ЗО быстрее по сравнению с режимом визвестном способе, что снижает погрешность, связанную с возникновением неравномерности температурногополя изделия из-за теплообмена с 35 окружающей средой. Минимальные размеры исследуемого тела определяютсяглубиной проникновения температурного поля за время измерения. Оценкипоказывают, что температурное возмущение эа время опыта проникает эаглубину порядка 2 Я, где и - радиусзонда. Используя зонды с размерами,приведенными, в таблице,можно измерять теплофизические характеристики малогабаритных иэделий и тонких листов.Область применения предлагаемогоспособа определяется величиной контактного сопротивления между зондоми исследуемым материалом. Оценки по О казывают, что при типичных значениях10мК/Вт влиянием контактного сопротивления можно пренебрегать дозначений Х 4 5 Вт/м К. Использованиежидких металлических смазок типа 55 эвтектики 3 -С, может позволить существенно расширить диапазон измеряемых Х в область больших значенийтеплопроводности.Предлагаемй способ измерения теплофиэических свойств материалов иизделий без разрушения исследуемогоматериала путем создания постояннойтемпературы в пятне контакта зондас поверхностью прост в реализации,имеет более широкие границы приме857826 О 20 Формула изобретения Составитель А,Хорцев Редактор О.Малец ТехредЙ, Ковалева Корректор Е,РошкоЗаказ 7231/71 Тираж 907 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патентф, гУжгород, ул. Проектная,4 нения. При этом уменьшение времени измерения приводит к повышению производительности и точности.На основе предлагаемого способа разрабатывается промышленный прибор для неразрушающего контрсля комплекса теплофизических свойств : теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкос и материалов с теплопроводностью ( = (0,1-5) Вт/м К.Создание предлагаемого способа неразрушающего контроля тепловых свойств материалов и изделий несет большой экономический эффект и способствует повышению качества изделий. Такой способ позволяет вести выборочный контроль свойств выпускаемых материалов, а в отдельных случаях и контроля каждого изделия. Величина экономического эффекта отредегяется стоимостью выпускаемых изделий и материалов. Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов и изделий с плоским участком поверхности и размерами тела, превышающими характерную глубину проникновения температурного поля за время изме рения, заключающийся н том, что зондс круговой контактной поверхностьюрадиусом 1-5 мм накладывают на плоский участок поверхности исследуемого материала и измеряют в определенные моменты времени величину теплового потока, поступающего в ма-.териал из зонда, температуру в центреконтактной поверхности зонда с последующим расчетом теплопроводностии температуропроводности по известным соотношениям, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений без разрушения исследуемого материала, в процессе измерений в области контактазонда с поверхностью материала поддерживают постоянную температуру,отличающуюся от начальной температуры материала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Рыбаков В.И, и др. Прибор с точечным нагревателем для определения коэффициента теплопроволности изотропных материалов. Труды НИИ Мосстроя. Вып. 6, 1969, с,253-256.2. Авторское свидетельство СССР 9 458753, кл, С 01 М 5/18, 1975 (прототип).