Способ определения теплопроводности материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1)5 6 01 й 25/18 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР РЕТ П 41 Е 1:1/ф ф , ОПИСАН И АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛЬСТВ определения теплофизических хаистик анизотропных материалов, ть изобретения заключается в том, измерения теплофизических харакк анизотропных материалов двухтозондирование на одном образце яют трехкратно - по одному разу на из его трех взаимно перпендикулярерхностей, по отношению к которымсоставляющие тензора теплопрои нормальны. По измеренным энам определяют искомые ристики, 1 ил,ССР982.ТЕПЛОПРОетельство Сй 25/18, 1ДЕЛЕНИЯРИАЛОВтносится к теможет быть и офизиче ользова Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в тех отраслях, где требуется определение теплопроводности материалов, обладающих анизотропией потрем взаимоперпендикулярным направлениям, т.е. ортотропных материалов, с одновременным определением всех трех главных составляющих теплопроводности, среднеобъемной теплопроводности и всех трех значений степени анизотропии теплопроводности таких материалов, и является усовершенствованием способа по авт.св. В 1057830.По основному авт. св. В 1057830 известен способ определения теплопроводности материалов, заключающийся в одностороннем двухточечном тепловом зондировании поверхности образца с помощью двух разнотемпературных стержне- образных зондов, измерении разности температур между зондами и последующем определении теплопроводности по градуировочной зависимости, найденной по результатам таких же опытов на стандартных образцах с известной теплопроводностью,Однако измерения известным способом на объемных аниэотропных образцах, причем обладающих анизотропией по всем трем направлениям, дают результаты, не соответствующие ни среднеобъемной теплопроводности, ни какой-либо одной ее составляющей, Способ не позволяет определять и степень анизотропии теплопроводности таких образцов, т,е. определение всех трех составляющих теплопроводности, как и каждой составляющей в отдельности, а также среднеобъемной теплопроводности и всех трех значений степени анизотропии ортотропных объемных образцов невозможно. 00(54) СПОСОБ ОПРВОДНОСТИ МАТЕ(57) Изобретениеским измерениям 27арственный научно-иститут метрологии но для рактер Сущнос что для теристи чечное выполн каждой ныхпов главные водност чения характе 1749802 АЦель изобретения - расширение возможностей способа и класса исследуемых материалов путем определения всех трех главных составляющих теплопроводности, среднеобъемной теплопроводности, а также всех трех значений степени анизотропии теплопроводности анизотропных (ортотропных) объемных материалов.Для этого для градуировки и определения градуировочной зависимости используют объемные изотропные стандартные образцы теплопроводности, а последующие измерения проводят на объемных анизотропных (ортотропных) образцах, причем на одном образце двухточечное зондирование с получением результата выполняют трех- кратно - по одному разу на каждой из его трех взаимоперпендикулярных поверхностей, по отношению к которым главные составляющие теплопроводности нормальны, и по измеренным значениям определяют искомые характеристики,На чертеже показана схема устройства для осуществления способа.Устройство содержит два стержнеоб.разных зонда 1, у которых одни концы специальными наконечниками 2 контактируют с одной из трех взаимоперпендикулярных поверхностей ортотропного образца 3. По отношению к этим поверхностям главные составляющие теплопроводности образца нормальны. Другие концы зондов установлены в медные пластинки 4 и прикреплены к холодной и горячей поверхности термоэлектрической батареи 5, включенной в цепь нагрузки автоматического регулятора 6. На вход последнего включены дифференциальная термопара 7, рабочие спаи которой расположены на концах зондов, контактирующих с образцом. В разрыв цепи этой термопары включен встречно задатчик 8 постоянного компенсирующего напряжения так, что на вход регулятора 6 посгупает нулевой разностный сигнал. Другая дифференциальная термопара 9 со спаями на медных пластинках 4 и измеряющая разность температур, создаваемую термобатареей на прикрепленных к ней концах зондов, подключена к измерителю 10 тер- моЭДС.Процесс измерения предлагаемым способом включает двухточечное зондирование образца 3 сначала со стороны какой-либо одной поверхности, лежащей, например, в координатной плоскости ХУ (как изображено на схеме), по отношению к которой является нормальной составляющая теплопроводности Л 2, и нахождение результата Мху, Затем такие же процедуры(3) 35 40 45 50 55 измерений с нахождением результатов выполняют зондированием двух других взаимоперпендикулярных поверхностей, по отношению к которым нормальными являются две другие составляющие Лх и Лу, На схеме эти поверхности лежат в координатных плоскостях ХУ и УЕ и показаны стрелками с обозначениями получаемых при их зондирований результатов соответственно МХ 2 и МУ 2. Величины МХУ, ЙХ 2, ЙУ 2 во всех трех независимых опытах определяются по показаниям измерителя 10 с использованием одной и той же зависимости величины термоЭДС от теплопроводности, Эту зависимость определяют предварительно аппроксимацией результатов градуировочных опытов на наборе изотропных объемных(адекватных полупространству в тепловомотношении) стандартных образцов теплопроводности. Искомые главные составляющие теплопроводности Лх, ЛУ, Л 2, среднеобъемную теплопроводность Хи три значения степеЛх Лх Луни анизотропии;-, -,;- рассчитываютУ 2 2по формулам х мЬ. ЛУ й Ь Л 2 1 У ИХУИХ 2 У МХУИУХ 2 МХгму 2 Лх Й у 2 Лх ыч 2 Лу м Х 2ХУ ц 4 2 4 Х 2 4 Способ опробован измерениями на анизотропных (ортотропных) объемных образцах из разных материалов, в том числе из дерева как наиболее изученного материала с наиболее ярко выраженными анизотропными (ортотропными) свойствами. Так, например, на образце из сухого дерева (ели) при зондировании со стороны поверхности, по отношению к которой волокна располагались нормально, получен результат 0,185 Вт/(м.К.), при зондировании поверхности, расположенной вдоль волокон, но перпендикулярно годичным слоям - 0,155 Вт/(м.К.), а при зондировании поверхности, параллельной волокнам и годичным слоям - 0,158 Вт/(м.К.). Согласно формулам (1) и (2) для искомых трех главных составляющих и для среднеобъемной теплопроводности исследованного образца дерева следует: вдоль волокон 0,259 Вт/(м.К.), по нормали к волокнам и а плоскости годичных слоев 0,127 Вт/(м.К.), по нормали к волокнам и годичным слоям 0,137 Вт/(м.К.), а для среднеобьемной теплопроводности 0,165 Вт/(м.К.). Из полученных результатов следуют, в том числе согласно формуле (3), и все три значения степени анизотропии теплопроводности исследованного образца дерева,Все полученные данные, в том числе по отдельным составляющим теплопроводности и значений степени анизотропии, подтверждают эффективность способа.Необходимо отметить, что способ эффективен в том случае, когда исследуемый образец имеет размеры по всем трем направлениям, превышающие некоторые критические, т.е. когда по всем трем направлениям образец является адекватным полупространству. Эти критические размеры не зависят от среднеобъемнЬй теплопроводности образца и определяются радиусом В контакта зондов с образцом, а также степенью анизотропии теплопроводности образца, При слабо выраженной анизотропии минимальные критические размеры с учетом оптимального взаимного расположения двух зондов составляют по всем трем направлениям приблизительно 16 В. При использовании указанного устройства минимальные критические размеры во всех трех направлениях составляют около 32 мм.Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в возможности получения всей информации о теплопроводности исследуемого анизотропного (ортотропного) материала, а также в повышении производительности измерений теплопроводности таких материалов и в возможности их осуществления в ряде случаев непосредственно на изделиях без нарушения их целостности, Формула изобретения Способ определения теплопроводностиматериалов по авт,св, М 1057830, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширениявозможностей способа и класса исследуемых материалов за счет определения главных составляющих тенЪора теплопроводности анизотропных материа лов, степени анизотропии и среднеобъемной теплопроводности, двухточечное зондирование выполняют трехкратно по одному на каждой из трех взаимоперпендикулярных плоских поверхностях образца, по 15 отношению к которым главные направлениятензора теплопроводности нормальны, а искомые характеристики находят как Ь Ь, йЬ20ихуихлйхуйчх йхгйуг Лх Й у 2,Лх Й Я ЛУхеХу 4 Уу 4 Уу 4 ЭЛ =4 ЛхЛчХд = оводгде Лх, Лм, Лк - главные значения тензора 30 теплопроводности;Мху, Ихъ йуг - величины, полученныепри зондировании трех взаимоперпендикулярных поверхностей, по отношению к которым главные направления 35 теплопроводности соответственноЛх Лу Лх нормальныЛх/Лу, Лх/Лг, Лу/Лг - три значения степени анизотропии;Л - среднеобъемная теплопрность,1749802 ставитель Н.Грищенкоред М.Моргентал Редактор О.Юрковец Тех Корректор М.Максимишинец аз 2592 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж ул. Гагарина, 10