Способ определения теплофизических свойств материалов

,К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Сфввтскиа Социалистическиа Республик(61) Дополнительное к авт, саид-ву(22) Заявлено 041181 (21) 3352920/18-25с присоединением заявки Нов(23) Приоритет 1 И)М.Ка.з 6 01 Н 25/18 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(.088. 8) Дата опубликования описания 150383 С,А,Николаев, НН,Непримеров, Н.Г.Николаева,А.Н.Саламатин и Н.Ф.Егоров3,Л. . :., ," -. 3Казанский ордена Ленина и ордена Трудового расного.:,.,-,Знамени государственный университет им.В.И.ульййбв а( 54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЯСТВ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к измерительной технике,в частности к измерению теплофизических свойств материалов в форме пластин и пленок.Известен способ определения тепловых свойств материалов, использующийрегулярный режим третьего рода, при котором измеряют температуру в двух точкахобразца 1 эондовый метод), а затем поамплитудам. колебаний температур исдвигу фазы между ними рассчитываютискомые величины,Однако данный способ имеет существенные недостатки: значительны погрешности определения тепловых свойств материалов при зондовых методах измерения температуры из-эа нарушения тем- .пературного поля в районе зонда, зависящие от тепловых свойств материала и изменяющиеся от монтажа к монтажу датчика температуры. Кроме того,для легкораэрушаемых материалов, имеющих крупнозернистую структуру (горные породы, строительные материалыи т.д.), данный способ вообще непри-.иеним. Известен также способ, согласно которому многослойный образец подвергают воздействию переменным тепловым потоком на одной его поверхности,а на другой при каждом фиксированка 4сдвиге фазы измеряют частоты и амп"литуду колебаний теплового потока.Причем количество фиксированных сдвИгов фазы равно количеству слоев материалов с разными тепловыми свойствами. Этот способ характеризуется боль.10 шой погрешностью измерений.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийсячто приводят и тепловой контакт исследуемый образец в виде пластины и коктрольный образец в виде долубесконечного тела, затем воз" действуют на поверхность образца, противоположную контрольному образ- цу, периодическими колебаниями. теплового потока н регистрируют измене" ние температуры контрольного образца.Однако известный способ имеет существенные недостатки, которые влияют на .точйость определения тепловых свойствг известное техническое решение предусматривает измерение на свободной поверхности исследуемого образца, при этом значение изме"о о Во Чэ ренной. температуры зависит от подво- димой энергии, тепловых свойств образца, теплообмена свободной поверх- ности образца с окружающей средойТеДаКроме того, возникают дополнитель ные погрешности из-эа измерения температуры в плоскости контакта исследуемого образца и контрольного образца. Поведение иэотермических линий в зоне контакта двух тел показы О вает, что при измерении температуры в плоскости контакта датчик может находиться либо в зоне единичного теплового пятна, либо в зоне повышенного теплового сопротивления, что и приводит к значительным случайным погрешностям.Целью изобретения является повышение точности определения теплофиэических свойств материалов. етеплороводность, тем" пературопроводность и толщина исследуемого образца соответственно; теплопроводность, тем пературопроводность контрольных образцов; амплитуда и частота синусоидальных колебаний теплового потокау 50 амплитуда синусоидальных колебаний регистрируемой температуры, сдвиг фазы синусоидаль" ных колебаний регистрй руемой температуры относительно синусоидалвных колебаний теплового потока;расстояние между по" верхностью первого контрольного образца, контактирующей с исследуемым образцом,и точкой регистрации температуры.65 Цель достигается тем, что согласно способу определения теплофиэических свойств материалов, заключающемуся в том, что приводят в тепловой контакт исследуемый образец в виде пластины и контрольный образец в виде полубесконечного тела, затем воздействуют на поверхность исследуе- мого образца, противоположную контрольному образцу, периодическими колебаниями теплового потока и регистрируют изменение температуры контрольного образца, поверхность образца, подвергаемую тепловому воздействию, приводят в тепловой контакт со вторым дополнительным. контрольным образцом в виде полубесконечного тела, выполненного из того же материала, что и первый контрольный образец, а определение теплофизических свойств ,осуществляют по формулам На чертеже показана схема, поясняющая способ определения тепловых свойств материалов.Схема содержит полубесконечные тела 1 и 2 ( с точки зрения распространения тепловых колебаний) с известными и равными тепловыми свойствами, например плавленый кварц или полиметилметакрилат, плоский источник тепловых колебаний 3, представляющий собой, например, нагреватель из металлической фольги, исследуемый образец 4 в виде пластины или пленки и датчик 5 температуры.Вывод расчетных выражений для определения тепловых свойств материалов получают иэ решения математической задачи. Считают, что начальная температура равна нулю, а плотность теплового потока нагревателя ,равна ЦоЮ=фосойВоФМатематическая формулировка задачи для трехслойной модели имеет сле1004844 Формула изобретения а ГЛйц, о Е йри ф +Е-й - - Ч СО 5 Жф(а Ь д. - ш-а Ъ й 3 11 0 9-ьх/сто/ Оф В ц(ЪифЬ)/а, с Способ определения тепловых свойств материалов осуществляется следующим образом.Задают фиксированные частоту и амплитуду синусоидальных тепловых колебаний в нагревателе. Затем производят измерение амплитуды и сдвига фазы синусоидальных колебаний температуры в первом контрольном образце. По измеренным амплитуде и сдвигу фазы синусоидальных колеба ний температуры, используя приведенные формулы, определяют теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца.Экспериментальные исследования тепловых свойств предлагаемым способом проводят на образцах в виде пластин толщиной от 1 до 15 мм при разных фазовых состояниях вещества.П р и м е р 1. Образец (аргеллит) толщиной 2 мм и диаметром 30 мм помещают между контрольными образцами (полиметилметакрилат) толщиной 40 мм и диаметром 30 мм, теплопроводность - 0,195 Вт/мК и температуропроводйость - 11,15 х 10 м/с.Тепловой йоток амплитудой 157. б Вт/м и частотой 0,0942 Гц задают от квар-цевого генератора тепловых колебаний. Измерение температуры проводят термопарой, рабочий спай которой находит. ся на расстоянии 1 мм от поверхности ,первого контрольного образца, а холодный - на противоположной поверхности данного образца. При этом амп.литуда температурных колебаний равна 35 0.111 К, а сдвиг фазы 2,04 рад. Для данного образца получают следующие значения тепловых характеристик: теплопроводность 1.16 Вт/мфК, температуропроводность 6.06 х 10 м 7 с и тепло-7емкость 1863 Дж/кгоК.П р и м е р 2, Образец (битумная неФть), зазор 1 мм, тепловой поток амплитудой 157,6 Вт/м и частотой 0.047 Гц, контрольные образцы - полиметилметакрилат. Измеряют амплитуду колебаний температуры - 0,515 ф К и сдвиг фазы - 1. 55 рад. Определяют тепловые свойства: тепло" проводность - 0.110 Вт/мфК, темпе 2 ДаАЙ 6 ратуропроводность - О. 61 х 10 м /с и теплоемкость - 1898 Дж/кгфК.П р и м е р 3. Образец (воздух). условия проведения эксперимента аналогичны примеру 2. Измеряют амплитуду колебаний температуры 0.127 К и сдвиг фазы - 1.80 рад. Определяют тепловые свойства; теплопроводность - 0.025 Вт/мфК, температуропроводность " 194 х х 10 мыс и теплоемкость -1071 Дж/кгфК.Приведение поверхности образца в тепловой контакт со вторым контрольным образцом в предлагаемом изобретении обеспечивает повышение точности по сравнению с известным способом.Кроме того, становится возможным проведение исследований образцов в разных фазовых состояниях, что имеет большое значение при бурении и разработке мерзлых толщ Земли, причем упрощается проведение определения тепловых свойств материалов, так как отпадает необходимость в измерении температуры на свободной поверхности образца. Способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийся ,в том, что приводят в тепловой контакт исследуемый образец в виде плас. тины и контрольный образец в виде полубесконечного тела, затем воздействуют на поверхность исследуемого образца, противоположную контрольному образцу, периодическими колебаниями теплового потока и регистрируют изменение температурь контрольного образца, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения, поверхность образца подвергаемую тепловому воздействию, приводят в тепловой контакт со вторым дополнительным контрольным образцом в виде полубесконвчного тела, выполненным иэ того же материала, что и первый контрольный образец, а определение теплофизических свойств осуществляют по формуламЖ10 1004844 ах +Оазис ость,.темодностьследуемооответ О Ло ность, те вадность образцов частота ных колеого поток нусоидал й регист мпературы Чо фф Составитель А.ПлатоваТехред А.АчКорректор Г.Ог Редактор М.Банду Тираж 871 НИИПИ Государственног по делам изобретений 13035, Москва, Ж,каз 1872 Подписноекомитета СССРоткрытийушская наб., д. 4/ илиал ППП "Патентф,г.ужгород, ул. Проектная теплопровод пературопро и толщина и го обфаэца ственно; теплопровод пературопро контрольных амплитуда и синусоидаль баний теплов амплитуда си ных колебани рируемой те сдвиг фазы синусоидальных колебаний регистрируемой температуры относительно синусоидальных колебанийтеплового пото"карасстояние между поверхностьв первогоконтрольного образца, контактируемой сисследуемым образцом,.и точкой регистрациитемпературы.