Способ определения коэффициента температуропроводности твердых тел

СОЮЗ СОВЕТСКИХсаицфли иснеРЕСПУБЛИК ущ 0 01 Б 25/18 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(46) 30.08.83.Бюп, 9 32 ( 72) М.Е. Гуревич и А.И. Носарь ( 71) Институт металлофиэики АН Украинской ССР(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДВ ТЕЛ, в котором нагревают исследуежй образец заданной Форж внешним источником тепла по закону простого гармонического колебания с заданной частотой, измеряют температуры на разных расстояниях от обогреваемой поверхности образца, измеряют разность фаэ ко лебаний этих температур, по которым рассчитывают искомий коэффициент, о т л и ч а ю щ и й с я тем, чтЬ, с целью повышения точности за счет .Упрощения способа при одновременном сокращении времени определения, ие-80 1038851 А прерывно измеряют тепловое расширение образца, по которому определяют,Фазу колебаний среднеобъемной температуры образца, измеряют разностьФаэ колебаний температуры обогревае.;Мой поверхности и среднеобъемной,отношения частоты колебаний температуры источника тепла к разности фаэколебаний температуры поверхностии среднеобъемной температуры образца по Формуле где ю " круговая частота колебаний температуры источника теплею аЧ - разность фаэ колебаний температуры поверхности образца и его среднеобъемной .температуры К "- коэффициент, учитывающий геометрические параметры образца.65 Изобретение относится к теплофи. эическим измерениям и может быть использовано для измерения температуропроводности материалов, преимущественно металлов, в широком 1 диапазоне температур, 5Известен способ определения температуропроводности материалов для измерений в широком интервале температур нестацнонарным методом с использованием так называемых регу лярных тепловых режимов, Измерение температуропроводности с использованием регулярного режима первого рода состоит в том, что образец из исследуемого материала помещают в среду с постоянной температурой Т, измеряют разность между температурой среды и температурой т какой-либо точки внутри образца в различные моменты времени, а температуропроводность зе рассчитывают по формуле Г 11.Недостатком указанного способа является то, что он практически не пригоден для веществ с высокой . температуропроводностью, в частности металлов, и их надежное измерение возможно лишь на очень больших образцах либо с созданием специальных режимов с быстрым теплообменом между средой и образцом. Кроме того,этот способ не может быть беэ дополнительных операций использован для определения температурной зависимости температуропроводности.Наиболее близким к предлагаемому 35 является способ определения температуропроводности с использованием регулярного режима 3-го рода, согласно которому длинный стержень с теплоизолированной боковой поверх ностью нагревают с одного конца так, чтобы его температура изменялась по закону гармонического колебания с круговой частотой ы, измеряют температуры на расстояних хи хг от обогреваемого конца, находят разность фаз Ч колебаний этих температур, а температуропроцодность определяют по формуле Г 2 3.Используемая расчетная формула получена для полубесконечного тела поэтому при расчете температуропроводности реальных конечных образцов снижается точность результатов измерений, что в конечном счете делает их приближенными, Для повышения55 точности измерений прозводят дополнительные операции, например, помещают образец в управляемую адиабатическую оболочку и проводят несколько измерений на разных частотах.60 Это усложняет способ и в реальных условиях при высоких температурах не избавляет от неконтролируемых теплопотерь, связанных, например, с неодинаковым распределением температуры по длине образца и адиабатического экрана, обусловленным неоднородностью температурного полявдоль образца, Кроме того, точностьизмерений зависит от точности определения координат базовых точек иот,конструкции игеометрических размеров датчиков температур,Цель изобретения - повышение точности за счет упрощения способа приодновременном сокращении времениопределения.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу определениякоэффициента температуропроводноститвердых тел, в котором нагревают исследуемый образец заданной формывнешним источником тепла по законупростого гармонического колебания сзаданной частотой, измеряют температуры на разных расстояниях от обогреваемой поверхности Образца, измеряютразность фаз колебаний этих температур, по которым рассчитывают искомый коэффициент, непрерывно измеряют тепловое расширение образца,по которому определяют фазу колебаний среднеобъемной температуры образца, измеряют разность фаз колебаний температуры обогреэаемой поверхности и среднеобъемной темпера-туры, а коэффициент температуропроводности а. определяют иэ отношения частоты колебаний температуры источникатепла к разности фаз колебаний температуры поверхности и среднеобъемнойтемпературы образца по формулеЖ=р Егде К - постоянный коэффициент для1образца заданной формы н раз-., ф2.мера (например, К -для12гпластины; К: - для сферы;.ф -зг,для цилиндра К а1 гоа - толщина пластины, диаметр цилиндра нли сферы),со - круговая частота колебанийтемпературы источника теплаьЧ- разность фаэ колебаний температуры поверхности образца и его среднеобъемной температуры.Предлагаемый способ основан натом, что изменение объема тела (азначит и его линейных размеров) определяется его средней температурой,Это позволяет для определения коэффициента температуропроводности поразности фаз между температурами наразном расстоянии от поверхности обРазца, обогреваемого внешним источником тепла, по закону простого гармонического колебания измерять лишьтемпературу поверхности, а в качестве сигнала об изменении второй температуры использовать термическоерасширение образца, по которомуопределяют изменение среднеобъемнойтемпературы. Использование среднеобъемной температуры приводит к тому,что отпадает необходимость измерятьрасстояния от поверхности, на которых производится измерение температур,Кроме того, использование измере-(ния разности Фаз между температуройповерхности и среднеобъемной темпера турой позволяет применить для ;расчета формулы,выведенные для образцов,имеющих по крайней мере один конечный размер (пластина, цилиндр, сФера)Как показывают расчеты,. если температура поверхности образца Т изменяется по закону Тп 1 п ю Принятая последовательность операций позволяет определить коэффициент температуропроводности .при заданных размерах образца и заданной частоте колебаний .во времени температуры источника тепла по разности фаз колебаний, температуры поверхности и среднеобъемной температуры образца.П р и м е р. Для проверки предлагаемого способа проводяЬ исследова,ние температурной зависймоститемпе:ратуропроводности никеля (99,99) в интервале температур 300-1000 К. В качестве образца выбрана пласти.на радиуса 3 см и толщиной а=.0,5 см Амплитуда колебаний температуры поверхности составляла 0,5 К и частота.м.ж 0,1 кГц. Измерения проводят через каждые 20 К от 300 до 500 К и от 700 до 1000 К, В области Фазового превращения (500-700 К) измерения проводят каждые 10 К. Для измерения колебаний толщины пластины используют автоматический дилатометр с дифференциальным индукционным датчиком, имеющий чувствительность к малым перемещениям дф- с 5 10 6, Тепловой режим эксперимента выдерживают с помощью программного регулятора температуры. Температуру поверхнос-где Т - температура поверхности об 20разца,Т - амплитуда колебаний температуры поверхности,ы - круговая частота колебанийтемпературы поверхности;времято среднеобъемная температура образцаТ р ТОБи( 1 К ) 1оеЗО где Т - среднеобъемная температураобразца;То - амплитуда колебаний среднеобъемной температуры;ш - круговая частота колебаний 35среднеобъемной температурыС - время;х - температуропроводностьобразца;К - коэффициент, учитывающийгеометрию образца при выборе частоты так, чтобы 0,со ,(где. ы- частота;45м, - температуропроводность; а - толщина пластиныили диаметр цилиндра илисферы).При этом выбирают пластину и ци ф. линдр такими, чтобы их боковые новерх 50 ности на несколько порядков превышали поверхности торцов во избежание краевых эффектов.Термическое удлинение (изменение толщины, пластины или диаметра цилиндра или сферы) образца пропорционально средней температуре и равно да- -о Т, з 1 и ( о 1 - К - )ф в где да - тепловое расширение образца;а - начальный размер образца,например толщина пластиаю,диаметр цилиндра или сферы. Ф,сС - коэффициент линейного теплового расширения материала образца"ы - круговая частота колебанийтемпературы или удлинения,ис - коэффициент температуропроводности;К - коэффициент, учитывающийгеометрические параметрыобразца.Таким образом, разность фаэ дМ колебаний температуры поверхности Т и удлинения равна д Ч =К -у. откуда следует, что Х =Кф где ес - коэффициент температуропроводности;К - коэффициент, учитывающийгеометрические параметрыобразца;.сц - юруговая частота колебанийтемпературы источника тепла;1 И - разность фаэ колебаний температуры поверхности и среднеобъемной температуры ббразца.Таким. образом, по сравнению с известным способом в предлагаемом отсутствуют погрешности, вызванные необходимостью применять в эксперименте модель полубесконечного тела, например длинный стержень с тепло- изолированной боковой поверхностью (для снижения влияния на результаты измерений неконтролируемых тепло- потерь).1038851 Составитель В. ГусеваТехред Ж. Кастелевич Корректор В, Бутяга Редактор С.Квятковская Заказ 6222/51 Тираж 873 ПодписноеВНИИПИ Государственногокомитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д. 4/5Ью мав юююавеюМвфилиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ти образца измеряют с помощью термо.-, пары ХА; Результаты измерений регистрируют на электронных самопишущих потенциометрах КОП. Значения коэффициента температуропроводности рассчитывают по формуле 5,12Т 2 а 9Сопоставление полученных результатов с данными, полученными с .помощью известных способов, показывает, что предлагаемый способ по чувствительности и точности значительно превосходит известный способ и одновременно позволяет получить полезный 15 эффект сокращения времени определения.Так, время, необходимое для получения представленной кривой, сокращается по сравнению с базовым способом и прототипом в два раза за счетисключения второго измерения и упрощения расчетов. При сопоставлении предлагаемого способа с известным видно, что пред- лагаемый существенно упрощает определение коэффициента температуропроводности (сокращаются более чем в 2 раза основные и подготовительные операции) и соответственно сокращается время определения. ЭФфект повышения точности и сокращения времени усиливается при определении темпе-, ратурной зависимости темперИ- туропроводности в особенности в области средних и высоких температур.