Устройство для определения теплофизических параметров материалов

союз соеетснихсоциАлистичкснихРеспу блин а Бъ,в 1)5 С 01 1 25/1 ГОсудАРственный номитетпо изоБ 1.тениям и ощрцтилмПРИ ГНнт ССО(56) Авторское свидетельство СССРУ 694805, кл, С 01 И 25/18, 1979.Авторское свидетельство СССРР 913196, кл. 6 01 М 25/18, 1982.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение касается исследования физических свойств веществ иматериалов, а именно устровств для определения теплофизических свойствматериалов на образцах в виде пластин, не прозрачных для излучения нагрева. Цель изобретения - повьпдениеточности. В устройство., содержащееисточник 1 импульсного нагрева, термопару 3, усилитель 4, дифференциатор 8, нуль-орган 9,триггер 10 и источник 14 опорного напряжения, введены повторитель 5, интеграторы 6,. 7,умножитель 11 и вычитатель 12, чтопозволяет заменить операцию двойногодифференцирования для определенияточки перегиба температурной кривойоперацией интегрирования этой кривой,что обеспечивает повышение точности.2 ил.Изобретение относится к исследованию физических свойств веществ и материалов, а именно к устройствам для определения теплофизических свойств материалов на образцах в виде пластин, не прозрачных для излучения нагрева, и может быть использовано в исследовательских лабораториях материаловедения различных отраслей на" 10 родного хозяйства.Цель изобретения - повышение точности измерений.На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для опре деления теплофизических характеристик материалов; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.Устройство для определения теплофизических характеристик материалов 20 содержит (фиг. 1) источник 1 импульсного нагрева с регистратором начала импульса, исследуемый образец 2, размещаемый между источником 1 импульсного нагрева и термопарой 3, 25 усилитель 4, повторитель 5, интеграторы 6 и 7, дифференциатор 8, нуль- орган 9, триггер 10, умножитель 11, вычитатель 12 измеритель 13 и источник 14 опорного напряжения. Выход 30 .термопары 3 подключен через усилитель 4 к информационным входам повторителя 5 и интегратора 6, выход которого соединен с одним входом вычитателя 12. ВыхОД повторителя 5 сое 35 динен с одним входом умножителя 11 и с входом дифференциатора 8, выход которого подключен через нуль-орган 9 к счетному входу триггера 10, подсоединенного обнуляющим входом к вы ходу регистратора начала импульса источника 1 импульсного нагрева и выходом - к управляющим входам повторителя 5 и интеграторов 6 и 7. Интегратор 7 подсоединен информационным 45 входом к выходу источника 14 опорного напряжения и выходом - к другому входу умножителя 1 1, подключенного выходом к другому входу вычитателя 12, выход которого является выходом устройства и подсоединен к измерителю 13.На фиг. 2 обозначены сигнал 15 на выходе усилителя 4, сигнал 16 на ходе повторителя 5; сгал 17 на выходе дифференциатора 8; сигнал 18 на выходе триггера 10; сигнал 19 на выходе интегратора 7; сигнал 20 па выходе интегратора 6; сигнал 21 на выходе умножителя 11; сигнал 22 на выходе вычитателя 12Устройство для определения теплофизических характеристик материалов работает следующим образом.Тепловой поток от источника 1 импульсного нагрева поступает на исследуемьп образец 2.Одновременно триггер 10 и интеграторы 6 и 7 обнуляются по сигналу с выхода регистратора начала импульса источника 1 импульсного нагрева, тем самым переводя интеграторы Ь и 7 в режим интегрирования входного сигнала, а повторитель 5 - в режим повторителя входного сигнала. Температура на поверхности исследуемого образца 2, противоположной поверхности нагрева, измеряется термопарой 3, сигнал с выхода которой усиливается усилителем 4 (фиг.2, сигнал 15) и поступает на вход интегратора 6 и повторителя 5. На выходе интегратора 6 появляется сигнал, пропорциональный интегралу от температуры Т (сигнал 20), а на выходе повторителя 5 сигнал 16, пропорциональный температуре.Интегратор 7 интегрирует постоянное опорное напряжение, поэтому сиггал 19 на его выходе пропорционален текущему времени. При достижении максимальной температуры Т, сигнал 17 на выходе дифференциатора 8 становится равным нулю, срабатывает нуль-орган 9, сигналом 18 с выхода которого устанавливается триггер 10 в единичное состояние, Импульсом с выхода триггера 10 интеграторы 6 и 7 и повторитель 5 переводятся в режим запоминания, тем самым на выходах интеграторов 6 и 7 и повторителя 5 запоминаются сигналы, пропорциональныеТЙС; Г и Т, соответственно, где о- интервал времени анализа; с,- максимальный интервал времени анализа. Сигналы с выходов интегратора 7 и повторителя 5 подаются на умно- житель 11, на выходе которого появлется напряжение, пропорциональное1 1 еТ д(сигнал 21) . Из этого напряОжения в вычитателе 12 производится вычитание напряжения с выхода интегратора 6. На выходе вычитателя 12 появляется напряжение, пропорциональ(3) (4) 25 30 гзи зззное 1 =(Т;Т)с 1 т, (сигнал 22), кооторое замеряется измерителем 13. При импульсном нагреве излучением поверх 5 ности плоского теплоизолированного непрозрачного для излучения нагрева образца конечной толщины Ь определяют через количество поглощенной энергии 0 интегрированием по времени от Г= 0 до момента с = 8 д, когда Т = Т , и в интервале (Т "Т) между максимальной (Т и текущей (Т) температурой на поверхности, противоположной поверхности нагрева, теплофизические параметры исследуемого образца 2 по форму- лам л= ау;ооГЛ ;гда Т =(Т; Т)бб;оа,Ь, Л - соответственно коэффициентытемпературопроводности, теплопроводности и теплоусвояемости материала объекта;- объемная теплоемкость материала.Соотношения (1) - (4) вытекают из решения задачи о распределении температуры Т в термически изолированной пластине конечной толщины Ь при подводе к одной из поверхностей энергии Р-импульсом, причем энергия поглощается в поверхностном слое бесконечно малой толщины.Решение для поверхности пластины, противоположной поверхности нагрева, получается с помощью импульсного коэффициента в виде Ь ю пг 7)г 1+2 1 (-1)" ехр (-а - , С ) о 1 Ьг 50(7) Теоретическому значению Г = о когда Т = Т , на практике отвечает соответствующий момент времени 8 =Г )г" дзТогда, обозначив)Т -Т)д Г = 1,ополучим искомые расчетные формулы (1) - (4) в которых значение Т определяется с помощью предлагаемого устройства.Вычисление коэффициентов а, у, Л, Ь по формулам (1) - (4) не представляет технической сложности и реализуется стандартными алгоритмами.Исгользование изобретения позволяет повысить точность измерений теплофизических параметров материалов примерно на порядок. Так, для исследования образцов из вольфрама в виде дисков диаметром 20-32 мм и толщиной 1-2 мм, нагреваемьи лампой- вспышкой ИФК(длительность импульса 3 мс), имеющих значение коэффициента температуропроводности а = 6,27 10 5(м/с), получены следующие результаты. С помощью известного прибора ТАУ, определяющего коэффициент температуропроводности по времени, когда вторая производная от температуры по времени станет равной нулю, значение измеряемого коэффициента, полученное как среднее из десяти измерений при надежности доверительного интервала, равной 0,997, составило а = (7,94+0,1) 10 (мг/с), т.е. отклонение от табличного значения равно 26,67. Измеренное с помощью предлагаемого устройства соответствующее значение коэффициента теплопровоности составило а = (6,411 +0,02) 10 (мг /с), что дает отклонение от табличного значения 2,247где и - натуральное число 1, 2, 3Так как55ОТи) Формула изобретения Устройство для определения теплофизических параметров материалов, содержащее источник импульсного нагрева с регистратором начала импуль1557499 му входу первого интегратора, управляющим входом - к управляющим входамобоих интеграторов и к выходу триггера и выходом - к входу дифференциатора и к одному входу умножителя,другой вход которого соединен с выходом второго интегратора, подключенного информационным входом к выходу источника опорного напряжения,выход первого интегратора соединенс одним входом вычитателя, выход умножителя подсоединен к другому входувычитателя, выход которого являетсявыходом устройства. Составитель Б. КостюхиТехред А.Кравчук Коррект тор Е. Копча орол Заказ 715 Тираж 493ВНЕ 1 ПИ Государственного комитета по изобретениям113035, Москва, Ж, Раушская н одписно крытиям и ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент" са, термопару, усилитель, источникопорного напряжения, нуль"орган,триггер и диФФеренциатор, выход которого через нуль-орган подключен к 5счетному входу триггера, подсоединенного обнуляющим входом к выходурегистратора начала импульса, выход термопары соединен с входом усилителя, о т л и ч а ю щ е е с я 10тем, что, с целью повышения точности,в него введены два интегратора, умножитель, вычитатель и повторитель,подключенный информационным входомк выходу усилителя и к информационно