Способ определения теплофизических характеристик материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 9) 25/ 1)5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССР1 ГОСПАТЕНТ СССР) ли.: м)Щ 1 14;1,Ф"ЦЯЯЩ ИЗОБРЕТЕН ИЕТЕЛЬСТВУ ОПИСАН К АВТОРСКОМУ ло во(71) Институт прикладной физики АН БССР (72) А.В.Станкевич и А.Г,Войтенко(56) Авторское свидетел ьство СССР 1 ч. 1057830, кл, 6 01 И 25/18, 1983.Серых Г,М, и др, Прибор для комплексного определения теплофизических харак. теристик, - Промышленная теплотехника,1981, Н. 1, с,85 - 91.(57) Изобретение относится к измерению теплофизических характеристик (ТФХ) и может быть испрльзовано при комплексном ; .изучении ТФХ материалов с теплопроводностью 0,1 - 5 Вт/(м К), а также для определения или контроля ТФХ реальных объектов без их разрушения. После установки измерительного зонда с эталонным образцом на Изобретение относится к измерению теплофиэических характеристик (теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности) материалов и может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства, где требуется комплексное определение теплофизических характеристик реальных обьектов без их разрушения,Известен способ для определения тепфизической характеристики-теплопродности материалов и объектов беэ их разрушения. Способ включает одностороннее двухточечное тепловое зондирование поверхности образца с помощью двух стерисследуемый материал проводится регистрация временной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образца, затем система измерительный зонд - исследуемый образец разогревается круговым нагревател"ем,с постоянной элактрической мощностью и регистрируется временная зависимость перегрева центра нагревателя относительнб . начальной температуры. Способ позволяет сократить время, необходимое для вырав нивания температур эталонного и исследуе.мого образцов, за счет регистрации временной зависимости скорости изменения перепада темпЕРатулрыпб высотеэталонного образца перед проведением эксперимента поопределению ТФХ, Этодает возможность, не дожидаясь полного"вы- равнивания температур"вирассмауриваемой тепловой системе, начинать эксперимент по определению ТФХ. Следовательно, уменьшается время определения ТФХ. 1 ил. Сд жнеобразных зондов, измерение разности К) температур между збндами и разности тем- Со ператур на йекойтактирувщих с образцом концах зонда с последующим оп)еделением теплопроводности по градуировочной зависимбсти.Недостатком известного способа является невозможность получения данных по температуропроводностиматериала,Наиболее близким к изобретению техническим решениемявляется способ опре. деления теплофизических характеристик (теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности) материалов иобъектов без их разрушения, состоящий вразогреве системы полубесконечных в теп. ловом отношении эталонного и исследуемого образцов круговым нагревателем спостоянной электрической мощностью и измеренйи перегрева центра нагревателя от-.носительно начальной температуры.Недостатком укаэанного способа является большое время получения результата(эначений теплофизических характеристик). Это связано с тем, что в системетермозонд-исследуемое тело перед нача. лом опыта требуется обеспечить равномерное температурное поле. Указанноеобстоятельство приводит к тому, что время,необходимое для выравнивания температур системы термозонд-исследуемое тело,может превышать длительность самого эксперимента в 5-10 раз в случаях, когда термозонд и исследуемый материал имеютразныеначальные температуры.Цель изобретения - фменьшеение времени определения теплофизических характеристик за счет исключения. необходимостиполного выравнивания температур исследуемого и эталонного образцов,Указанная цель достигается тем, чтосогласно способу определения теплофизических характеристик материалов, включающемуустановку измерительного зонда сэталонным образцом на исследуемый матерйал, разогрев системы измерительныйзонд- исследуемый образец круговым нагревателем с поСтоянной электрическоймощностью и регистрацию временной зависимости перегрева центра-нагревателя относительно начальной температуры споследующим расчетом искомых величинпо формулам, перед включением нагревателя дополнительно проводят регистрациювременной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эта.: лонного образца,Определейие теплофизических характеристик основано на закономерности развития двухмерного:температурного поля вдвухполуограниченных телах с различнымитепловыми свойствами, находящихся в идеальном контакте с тонким круговым источником теплоты постоянной мощности.Избыточная температура ЬТ (х) (перегревотносительно начальной температуры)цейтра "кругового источника теплоты опре деляется выражением:ЬТ(е)---- - -1 егсх 2 во Й 1 101,"Щг ь, +ь. 25;еегое (1)где йЪ - удельная мощность источника теплоты;х- время;ах,аэ,Ьх,Ьэ - температуропроводность и 5 тепловая активность исследуемого и эталонного материала,го - радиус источника теплоты;его х - кратный интеграл вероятности.Выражение (1) получено в предложе нии, что в системе из эталонного тела скруговым нагревателем, входящим в состав измерительного зонда, и исследуемого тела .перед началом эксперимента требуется обеспечйть равномерное температурное 15 поле. Однако в.реальных условиях указанное требование сразу после установки измерительного зонда на исследуемый материал в большинстве случаев не может быть выполнено,так как зонд и образец 20 имеют различные температуры. Поэтому необходимо определенное время для выравнивания температур исследуемого и эталонного образцов. Как показывают экспериментальные исследования, процесс 25 выравнивания температур может заниматьболее 40 - 50 мин, что на порядок больше времени ведения эксперимента.. Для уменьшения времени, обусловленного процессом выравнивания температур 30 эталонного и исследуемого образцов,дополнительно перед проведением эксперимента регистрируется временная зависимость ф) скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образ ца.Полученные точки временной зависимости скорости изменения перепада температуры по высоте эталонного образца аппроксимируются дробно-рациональной 40 функцией видабф те бх а 1 Р+аР .ав+(2)Ьгд + Ьгд + + Ь+ 1где пЕ.Коэффициенты аь Ь выражения (2) рас считываются методом наименьших квадратов,Затем, не дожидаясь полного завершения выравнивания температур эталонного и исследуемого образцов, начинают про водить эксперимент (включают нагреватель).С учетом влияния незаконченного процесса выравнивая температуры формулы для определения теплофизических характеристик имеют вид;1783398 Ьх 5 6 для тепловой активности во переводится в режим регистрации временной зависимости скорости изменения 2 во Ю Ь 3) перепада температур по.высоте эталонноХп го образца, Для этого через определенный (ЬТ(х) - ЬТН - 3 1(х) бх) /л 5 промекуток времени снимаются гпоказэ- . ХЬ ния дифференциальной термопары 4 и после усиления, дифференцирования и где Х-текУщее вРемя эксперимента; отсчи- преобразования в цифровую форму занотываемое от момента включения нагрева-. сятся в оперативный блок 12. Снятие точек теля; хп - полное время; хл =х+хи +хо 10 термогрэммы продолжается в течение врех, =х+хо, где хи - время, в течение кото- мени х,. Затем снятие точекпрекращается рого регистрировался ход временной зави- и процессор 15 з выполняя программу, храсимости скорости изменения перегпада нящуюся в постозяйном запоминающем блотемпературы по высоте эталонного образ- ке 13, аппроксимирует эксперимейтальные ца; х, - время, затраченное на обработку 15 данные с помощью выражения (1). получен(аппнроксимацию) указанной выше времен- нйе значения коэффициентов а 1 и Ь заносят ной зависимости; ЬТн - перепад темпера- в оперативный запоминающийся-блок 12. туры по высоте эталонного образца перед Для расчета указанных коэффициентов тайвключением нагревателя;, . мер 18 задает заведомо достаточный интердля температуропроводности.20 вал времени, Затем включается нагревателЬи начинает проводиться эксперимент по опах = гс, /4 х 1 ег 1 с ХЦ;ределению теплофизических характери 1 Ьэ+Ьх :стик, Сигнал от дифференциальной 1,01 Ь . гтжтермопары 4 усилиеается с помощью усиля.х. 25 теля 6 и через коммутатор 10 подается нэ (Ьх+ Ьэ) (ЛТ(х) - ЛТн - х) дх), . аналого-цифровой преобразователь 11;хь Преобразованное в цифровую форму значеЕъ",юти ь емп ц е - Ь 1 егус 1, (4) нагревателя, заносится а оператианьгй за. 2 е,т 1 .: . 30 поминающий блок 12 через блок сопряжения 14. где его Х - обратная функция, определяю- После сбора данных искомые теплофищая аргумент х по известному значению зические хэрактеристи.си рэссчйтыва 1 отся функции Х = его(х); по формулам 3 - 5) и выводятся на блок индля теплопооводности; 35 дикации 16,Лх =Ьх Уах 5) :По сравненйю с прототипом предлагаеДля осуществления способа может быть мый способ позволяет сократить время, неиспользовано устройство, структурная схе- обходимое для выравнивания температур ма которого изображена на чертеже эталонного и исследуемого образцов, заСхема включае" измерительный зонд 3 40, счет регистрации скорости изменения во с эталонным образцом 2, нагревателем 1, времени перепад температуры по высоте дифференциальной термопарой 4 и термо- эталонного образца перед проведением парой для измерения абсолютной темпера- теплового эксперимента. Это позволяет не туры 5,усилители 6 и 7 термоЭДСтермопар, дожидаться полного выравнивания темпе- управляемый исто яник тока нагревателя 8, 45 Ратур в рассматриваемой тепловой системе дифференциатор 9, коммутатор 10, аналого- и- начинать эксперимент по определению цифровой преобразователь 11, оператив- теплофизических характеристик раньше и, ный запоминающий блок 12, постоянный следовательно, уменьшить время определезапоминающий блок 13; блок сопряжения ния теплофизических характеристик. 14, процессор 15, блок индикации 161 клави При практическсй реализации способа атуру 17, таймер 18. создана лабораторная экспериментальнаяУстройство работает следующим обрэ- установка. Проверка работоспособности зом, способа проводилась путем сравнения реИзмерительныи зонд устанавливается зультатов измерений теплофизических хана исследуемый материал, оператор вводит 55 рактеристик стандартнь 1 х образцов (стекло с клавиатуры 17 в оперативный запоминаю- КВ, ТФ, оргстекла, пенополистирол ПС 1- щий блок 12 исходные данные (радиус на) при практически полном выравнивагревателя, его сопротивление, значения нии температур (скорость изменения температуропроводности и тепловой актив- перепада температуры по высоте этэлонноности эталонного образца). Затем устройст- го образца менее 0,1 К/мин) и с использова1783398 Составитель В, СтанкевичРедактор Г, Бельская Техред М,Моргентал, Корре р Э, Лончакова к,аз 4510 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 нием предлагаемого способа. Это позволило определить реальные значения величин в формулах (2)-(4). При Ьт= 1 мин, Ьмин, хо -2 с и скорости изменения перепада температуры к моменту включения нагревателя порядка 0,1 - 0,15 К/мин при сохранении точности определения теплофиэических характеристик использование предлагаемого способа уменьшило время получения результата в 2-3 раза. Формула изобретения Способ определения теплофиэических характеристик материалов, включающий установку измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал, разогрев системы измерительный зонд - , исследуемый образец круговым нагревателем с постоянной электрической мощностью и регистрацию временной зависимости перегрева центра нагревателя относительно начальной температуры с последующим расчетом искомых величин по формулам, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения времени определения тепло- физических характеристик эа счет исключения необходимости полного выравнивания температур исследуемого и эталонного об разцов, перед включением нагревателя дополнительно проводят регистрацию временной зависимости Г(г) скорости изменения перепада температур по высоте эталонного образца; а при определении 10 искомых характеристик учитывают влияниенезаконченного процесса выравнивания температурычерезтп1)б(г)15 .где т- текущее время эксперимента, отсчитываемое с момента включения нагревателя;тп - полное время; равное х+ ги+ гЬ; ти - время, в течение которого регистрировалась ф);хо - время, затраченное на обработкуТ(ф7 Ь = Ти + о.Ф