Способ определения теплопроводности материалов

)5 0 01 й 25/18 Е ОСУДАРСТВЕМ 4 ЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ОПВОДНОСТИ МА(57) Иэобретенифизике и можетределении тепло л. М 1ий инженерно-педагогичеидетельство СССР01 й 25/18, 1985.идетельство СССР01 й 25/18, 1982.РЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОТЕРИАЛОВе относится к техническобыть использовано при офизических свойств тве Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел.Известен способ определения теплопроводности твердых тел, включающий нагрев эталонного и исследуемого образцов подвижным точечным источником теплсвой энергии, регистрацию предельных температур на линии нагрева при некотором первоначальном и измененном расстояниях отставания датчика температуры от источника энергии для каждого из образцов. По разности предельных температур, измеренных при первоначальном и измененном расстояниях отставания, рассчитывают величину теплопроводности,Недостатками способа являются его невысокая точность, обусловленная тем, что 704051 А 1 дых тел. Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения теплопроводности. Поставленная цель достигается тем, что нагрев образцов осуществляют движущимся точечным источником энергии и измеряют тепловое излучение от поверхности образцов датчиком, жестко связанным с источником энергии, при периодическом сканировании теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры по траектории типа окружности. Измеряют амплитуды переменных сигналов, возникающих при сканировании поверхности эталонных и исследуемых образцов и на их основе рассчитывают теплопроводность. 4 ил. сложно осуществить изменение расстояния отставания датчика от источника в процессе его движения так, чтобы траектория его движения не сместилась с линии нагрева, Кроме того, исследуемые образцы должны быть достаточно однородными, так как при изменении расстояния отставания датчика от источника регистрируют предельные температуры в разных частях образца,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения теплопроводности, включающий нагрев исследуемых и эталонных образцов точечным источником энергии и измерение теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры при относите,ьном взаимном перемещении образцов и датчика, жестко связанного с источником, по прямой, соеди 170 чЛ 110 с 5 30 40 45 1 ЕМТ =ТО +. 50 ос а 55 1 я югцей источник и датчик. г,рал 1 е того, таплооое излучение образцов адноврел 1 онноизмеряют вторым датчикам температуры,располагаемым симметрична пероол 1 у относительно источника энергии на прямой,Гдрахорящей через пероьй датчик и источник энергии. С помощью доух датчиковизмеряют начальную и предельную температуры, по которым рассчитывают искомуювеличину,Недостатками этого способа явл:ютсяего сложность м низкая проиэоодительнссть, обусловленные налич;см операцийизмерения начальных температур и вычитанили их из предельных температур о процессе расчета .теплопрооодности, а такгке1 еоысокая точность, обусловленцэл воэможым раэличнием характерист ик датчике о.Цель изобретения - упращеч:посабаи повышение точности апредслсция тспд 1;праоаднасти,Поставленная цель дастя а ется тсг 1, чтов сцасабе определения тепл-,гГ ОоадгОстиматериалов, включающем нагрев и:следуемых и эталонного образцоо та:1 еч 11 ь:лф. источником энергии и измерение епловогоизлучения от пооерхностей обр."эцов датчиком температуры, распалажегп ым на фиксированном расстоянии от источника, приотносительном озаимнаг 4 пера:4 ещен 4 и образцов и датчика по прямой, соединяющейисточник и жестко связанный с ним датчик,периодическое перемещение площадки визирования датчикапо поверх "ти исследуемых и:тала 1 г .х ОГ-.-да., г 4 ед 1 иеСОСТЕТСТ ОУЮЩ.Х 11 ССЛЕг а ГЛЬ:.; Э т аа Ог;11 аму образцам амплитуд ооэ 1 и.:-.: ащих кале 1 11 Й СигчаЛа ДЗТЧИКО и ОП;.ЛС". Па11114 ска 1 1 ьеличины, плаща"у оиэ 11 дава"1" ге"с;4" 1 а - ".:аг 1;,тст;актарии.и;.есегаОще 1 линиа 1 ц 1 граоа и непоресе 1:51 аще 11 т Очи наГреоа, с догтра 4, рзспалажс 1 НЫ 14 1,а ЛИНИ 4 ПЕРЕГ 1 Г"ДЕ 111 Я ,СТОЧ 111 ъ Эат:аси.ельна образцов и с максгц 4 умамтемцературы, нахадлщиг сл о тачке пересече 1 ия с линией нагрева,Ыоа 1 не Оерц 1 и сл 11 Гг" :ия паказвина траектории позволяет заменитьОперацию считывания сдиаграг 414 на 1 лентыйкаэаний двух 1 р 1 ад 1 О 11 страоПатачеч 11 агао 11 и о 1 ия однаГО ГОкаэа 111 13,5 пуГОГО Одной операцией считыва 11 ця лг 1 П 11 туднагоэ 11 ачсг 1 д 1 я Сипдалд дэтчи 1.а. 310 црцвацит кэнэчитель:1 ол 1 у сокращению орег 4 ени нас,итыоо 111;е и аб"абатку реэультатао иэг;ерений и, следовательно, к цагышенцю произэ водит ел ь насти способа.Уменьшение погрешности определениятепгс-Ооадности обусловле 11 О Двумя причинами. Ва-пй;ь 1 х, за с ет введения спарации сканирования по указанной траектории длл опрсделения предельной избыточной темпер; туры достаточна адцагодатчика вместо дьух, используемых в изоестных устройствах. ь результате исклочается погрешность, выэоанная различием их характерист Ик.Во-отсрых, если в известном способе для опредег 1 ения предельной избьца 1 най 1 емпературы используется касвен 1 ый вид измерений (изг 4 еряются две температуры и вычисл лет ся разность между ними), тот в предлагаемом способе измерение предельной избыта ной температуры является прямым и соад.тся к измерению амплитуды колебаний сигнала датчика. При этогл известно, что псгрешность прямых измерений МЕНЬШЕ, Чаги аСОЕН 1;ЫХ.Пересе:ние траекторий сканирования лгц 1 и 1 .1 Л 1 а. оа обеспечивает 1 эгиерение ТЕМПЕ а;, ь На Этсй ЛИНИИ, РаспадОКЕНИО центра а ",;жнасти на линии гЛгрсва необходима Д 1 я того, чтобы измеренная в одной из тачек пересечения траек 1 ория с линией нагрева температуры была максимальной на траектории, что необходимо для обеспечен я вазможности определения теплопра. Одности по известным расчетныл 1 саотноше 1 ияг 4, Условие непересечения траекторией сканирования точки нагрева вытекает из требований известной математической модели (температура в этой точке стрег 4 ится к бесконечности).1-э г, Г, 1 - 3 пр 1;оедснь 1 пр 1;1,1 П; - наектарй ска 1 рсоа " я; на 4 иг, 4 - схег 4 а устра,стоа для асущестоления способа,ВОЗ 14 аж Ость да.тиженил па-т бледней цели уаэа 111.14 способам дак. эыоает- СЯ СЛЕД";й 1 Гф,Иззвсстгй, чта при нагреве паосрхцасти палуб сканеч;а а тела точечь;м истач.,:.ОМ Э.".П 11 14 О.,1:С", 1 ,О О 1, ( .С 11. 1:,ЫГ 1 с 1 ачало. каард 1 нат-п.перегиеща 1 аццг 4 ся вдаль оси У. са скарГ 1 сть 1 О Ч,1 е 14 перг тура Т на поверхости тела а ределяетсл оыражегде Т - 11 а ал 111 аг тегспсра 1 тура; т ась Орд 11 с т А- каэ Ц,1 ц 1 с т теплапрооадцасти тела;а - коэффициент тегПературапр оад 1 Ост 1 тела.(8) циенподо- ), что енебений козфф сти можно рения (Ч,жно будет пполучаем; При сканировании датчика по окружно. сти с радиусом В, измеряя амплитуды колебания сигнала датчика температуры при измерении на эталоном абразце Отет и ис-следуемом образце От оюр, можно определить коэффициент теплопроводности образца Лобр.(2)Оооргде Зет - теплопроводность эталона.Пусть центр окружности лежит в точке нагрева (фиг, 1). В этом случае координаты точки визирования можно определить из соотношенийХ-йсоз оф, (3) У- йзпои, (4) где в- угловая частота вращения площадки визирования.Подставляя эти величины в (1), получаем:Т-Ь+ - Я - Вр - (1+ СОВср) .Чй2 лАВ 2 а(5) Определим экстремальные значения этой функции из условия Легко показать, что максимальное значение температуры наблюдается при в- л (т.е. на оси Х с координатов - В) и равно Тиакс Тс + 2 2 лАЯ(6) Минимум температуры наблюдается и а 1-0(т.е. на оси с координатой+ В) и рав Тинн Тр + в Я енрглАв азмах колебаний температу Т - Т - - Я - 1 ан2 лАВ Для любых реальных знач та температуропроводно брать такой режим изме величиной ехр(- ЧВ/а) мо речь; с учетом этого из (8) Тиакс Тини2 лАВИзмеряя амплитуду колебаний сигнала на ыходе датчика температуры при измерени 5 10 15 20 25 ях на эталоне и исрледуемом образце, можно определить коэффициент теплопроводности по формуле (2).Очевидно, что формула (2) применима и для многих других траекторий сканирования, основанных на вращательном движении сканирующего элемента. Например, на фиг. 2 приведена траектория сканирования для случая вращения луча визирования вокруг оси. находящейся под некоторым углом к нормали к поверхности тела в точке нагрева. Этот случай интересен с практической точки зрения, так как при реализации способа может вдзникать необходимость наклонного расположения радиометра, и в этом случае легко добиться, чтобы амплитуда колебаний датчика была равна предельной избыточной температуре Тмакс - То и. следовательно, была справедлива формула (2).Рассмотрим случай, когда центр окружности, по которой перемещается площадка нагрева, находится на линии нагрева и отстает от движущейся точки нагрева на расстоянии Хо (фиг. 3), Траектория сканирования пересекает линию нагрева в точках а и Ь . Очевидно, что максимальная температура наблюдается в точке а;(Хо ) С помощью числеНных расчетов легко показать, что для любых реальных значений коэффициента температуропроводности легко подобрать такой режим измерения (Ч, В), чтобы с достаточной степенью точности выполнялось соотношение Тмин - То, (11) что обеспечивает возможность применения формулы (2).Таким образом, в широком диапазоне реальных значений величин а, Ч, В, Хо существует возможность определения коэффициента теплопроводности по измеренным амплпгудам колебаний сигнала датчика спомощью формулы (2).Устройство, с помощью которого реал 1- зуется способ содержит сосредоточенный источник 1 энергии и датчик 2 температуры, расположенные под снабженной электроприводом 3 платформой 4, на которой установлены эталонный 5 и исследуемые 6 образцы. Оптикомеханическое сканирующее устройство 7 установлено перед входным окном датчика 2 так, чтобы сканировать тепловое излучение от поверхностей образцов 5 и 6 по траектории типа окружности, пересекающей линию нагрева и не пересе1704051 3 кающуо точку нагрева, с центром. расположенным на линии перемещения источника 1 относительно образцов 5 и 6. Выход датчика 2 последовательно связан с усилителем 8, амплитудным детектором 9 и регистратором 10.Способ осуществляют следующим образом,Расположенные на платформе 4 эталонный образец 5 с известной теплопроводностью и исследуемые образцы 6 перемещают с постоянной скоростью Ч = 2 - 10 мм/с относительно неподвижных источника 1 энергии и датчика 2 температуры возможно осуществление способа с перемещением жестко связанных источника 1 энергии и датчика 2). С помощью регистратора 10 и аамплитудного детектора 9 измеряют усиленые усилителем 8 амплитуды колебаний си налаа выходе датчика 2 при геремещенииад ним эталонного оразца 5 И)и исследуемых образцов 6 (О обр). На основании измеренных амплитуд, определяют теплопроводность по формуле (2).Формула изобретения Способ определения теплопроводности 5 материалов, включающий нагрев исследуемых и эталонного образцов точечным источником энергии и измерение теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры при относительном вэаим ном перемещении образцов и датчика попрямой, соединяющей источник и жестко связанный с ним датчик, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что. с целью упрощения способа и повышение точности определения"тепло проводности, площадку визирования"датчика периодически перемещают по замкнутой траектории, пересекающей линию нагрева и непересекающей точку нагрева, и с максИ- мумом температуры, находящимся в точке 20 пересечения с линией нагрева, измеряютамплитуды возникающих колебаний сигнала датчика и определяют по ним искомую величину.1704051 Корректор Н Куче едактор О. Хрипт оизводствецно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина Заказ 58 БНИИПИ Го Составитель Н. ГрищенкТехред М.Моргентал Тираж Подписноетоенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035. Москва, Ж, Раушская наб 4/5