Способ определения теплофизических характеристик материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ ПУБЛИК 51)5 6 01 й 25 т ря ел- ./- е1=1 1=1ые числа (К = 1, 2, 3,тепловых импульсоло. 1 ил- натурал количеств ральное ч,п),п - е - нату ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов, Цель изобретения - поИзобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.. Известен способ определения теплофизических характеристик, состоящий в подводе теплового импульса к поверхности образца. и регистрации момента времени, соответствующего максимуму приращения температуры на некотором расстоянии от места подвода тепла.Недостатком этого способа является значительная погрешность определения характерного времени.Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в импульсном тепловом воздействии по прямой линиина поверхности исследуемого тела, измерении момента времени, когда интегральное во времени значение температуры с момента Ы, 172875 источник тепла, осу ное импульсное теп материал и измеряю действия источника расстоянии от этой л сное тепловое возд моменты времени, меряемых избыточн нии действия ис заданном расстоян ществляют многократловое воздействие на т температуру на линии тепла и на заданном инии. При этом импульействие производят в когда соотношения изых температур на литочника тепла и на ии от нее соответству 1 1, гдето подачи теплового импульса до момента наступления максимума.температуры в контролируемой точке поверхности станет равным значению интегральной во времени температуре той же точки после наступления максимума температуры, и измерении энергии теплового воздействия, а также в момент наступления равенства интегральных значений темпвратур осуществления теплового воздействия на исследуемое тело от источника тепла вторым импульсом, равным по мощности первому, затем в момент времени, когда интегральное во времени значение температуры в контролируемой точке повеохности с момента подачи второго теплового импульса до момента наступления максимума станет равным интегральному значению температуры той же точки после наступления максимума, воздействуют на тело третьим тепловым импульсом, равным по мощности первому, ит.д. измеряют частоту следования тепловыхимпульсов, а искомые теплофизические характеристики рассчитывают по формулам.Недостатком данного способа являетсянизкая точность определения теплофизических характеристик, обусловленная необходимостью определения интегральныхзначений температур до наступления максимума температуры и после него, а такженеобходимостью определения времени наступления максимальной температуры,В известном техническом решении осуществляют тепловое воздествие по прямойлинии на поверхность исследуемого телаимпульсами одинаковой мощности с частотой следования, определяемой из соотношений интегральных во времени измененийтемператур в контролируемой точке поверхности,Однако при этом не обеспечивается достаточная точность контроля теплофизических характеристик ввиду использованиянекорректной математической модели Обратной задачи теплопроводности. Частотаследования тепловых импульсов являетсявеличиной, зависимой от времени, что непозволяет производить измерения коэффициентов тепло- и температуропроводности,Цель изобретения - повышение точности определения.На чертеже показана схема осуществления способа,Предлагаемый способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов реализуется следующимобразом.На теплоизолированной поверхностииспытуемого образца 1 располагают линейный нагреватель 2, а на расстоянии х 1 отнего - термопару 3, электроды которой сварены встык и расположены параллельно линий действия источника тепла, Тепловоевоздействие осуществляют импульсами постоянной мощности.После подачи первого теплового импульса температура на линии действия источника тепла (датчик температуры можетбыть конструктивно совмещен с нагревателем) равнат(0, т) =-.0(1)а на заданном расстоянии х 1 от линии действия источника равна- Х 1т(х 1,т) = --- . е гт (2) где О - энергия импульса в расчете на единицу длины нагревателя;а - (6) При этом соотношение температур сучетом (4) равно1+ -1-1 1е + - е г2Далее осуществляется формированиетретьего теплового импульса на линии действия источника тепла,Величина аз равна35 . 11аз (8)е + - е г + - е з2 3По аналогии соотношение температур 40 после формирования п-го импульса в момент времени т = и т макс с учетом формул (4) - (8) принимает видаХ45ад1=1,2,3, ., п.Таким образом, осуществляя дополнительное воздействие кратковременными тепловыми импульсами на линии действия источника тепла в моменты времени, когда соотношение температур а достигает значений а 1, аг,аа получают поток электрических импульсов, выделяющих на линейном электронагревателе .тепловую энергию. Частота следования этих импульсов может быть определена иэ уравнения аг -(7): А и а - соответственно коэффициентытепло- и темперэтуропроводности исследуемого материала;т- время,5 Регистрируя после подачи тепловогоимпульса отношение температур, получаютх 1а==е 4 аТ(0, ю(4) 15 а следовательноа 1 =е. (5)В момент времени т = т макс на линиидействия источника тепла формируетсявторой тепловой импульс. Величинаа при этом определяется соотношениемт 1-т(х 1, тмакс ) -- Г -- е . (11)0 -12гмаксПосле подачи второго теплового им-пульса (= г макс ) температура на рассто янии х 1 от линии действия источника при г =2 хмакс равна Т 2= Т(х 1 2 гмакс ) =20а после воздействия третьего теплового им-.пульса -ТЗ = Т(х 1,3 Тмакс ) =0х2 л гмаксх(е+1 е Т + - е з ).2 . 3(13)По аналогии после воздействия и;готеплового импульса температура в момент 30времени г = и тмакс равна 0 и т макс )т макс 35(16)Соотношение (15) между температурами Тп (п = 1, 2, ) позволяет производить статистическую обработку результатов из мерений температур для повышения точно- СТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Т 1=Т(Х 1 T макс ) В ФОРМУЛЕ (16).Методом математического и машинного моделирования на ЕС 1840 выполнен расчет 55 избыточной температуры при х 1 = 1:10 З м, 0-50 Дж/м, 1=0,1, а=3107 м/с, а также при воздействии теплового импульса в момент времени г= 0 (рассматривают Р- -а = (10)Х т максИз выражения (10) следует, что частота следования импульсов Р прямопропорциональна коэффициенту температуропроводности исследуемого материала.После подачи первого теплового импульса( Т = 0)температура на расстоянии х 1 от линии действия источника в момент времени Г=Тмакс равна10 период между первым и вторым. импульсами),При известных коэффициентах тепло- итемпературопроводности значение объемной теплоемкости равноС р=-=3,333 105амзКНа основании полученной термограммы нагрева определяют момент временит макс = 0,83 с и соответствующее ему значение избыточной температуры Т 1 -35,3 С.Из формул (10) и (1 6) следует, что частотаЕ равна 1,2 гц,Из условия равенства (13) и (19)4 2 леТ 1 Ах 1определяют отношение, используя термограмму нагрева:Л 403317105 Джа 2 кеТ 1 х 1 м К1которое подтверждает достоверность полученных результатов в пределах погрешности расчета д(ср) =0,5,Использование изобретения позволяет повысить точность определения теплофиэических характеристик материалов,Ф о р мул а изобретен и я Способ определения теплофиэических характеристик материалов, включающий многократное тепловое воздействие на поверхность исследуемого материала линейным источником тепла. измерение температуры поверхности материала на заданном расстоянии от источника тепла и частоты следования тепловых импульсов с последующим вычислением искомых характеристик, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют температуру на линии действия источника тепла, а импульсные тепловые воздействия производят в моменты времени, когда соотношения измеряемых избыточных температур на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от нее соответствуют ряду чисел1/екгде к - натуральные числа, 1, 2, 3, ., и;и - количество тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики рассчитывают по формулам:а = Х 1 Р/4; 1 = 0 Н 2 л е Т 1,где а, А - соответственно коэффициенты температуропроводности и теплопроводности;0 - количество тепла, выделяемое единичным импульсом на единицу длины источника тепла;1728755 4,г Составитель В, МарченкоТехред М.Моргентал Коррек Кунд Редактор И. Дер аказ 1403 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", гужгород, ул,Гагарина Х 1 - расстояние от источника тепла до точки измерения температурй на поверхности материала;Р - частота следования тепловых импульсов; 5 Т 1 - значение температуры в точке на расстоянии Х от источника тепла в мбмент времени, когда соотношение температур равно натуральному числу е.