Способ определения теплофизических характеристик материалов

(5)5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТОРСКОМУ С ЛЬСТВУ 3 ъ О 1(56) Теплофизические измерения и приборы. Под ред. Е; С. Платунова, Л.: Машиностроение, 1986, с. 256.Авторское свидетельство СССР М 834480, кл. 6 01 И 25/18, 1981. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.Известен способ определения теплофизических характеристик материалов методом мгновенного источника тепла, закаочающийся в локальном или тотальном нагреве поверхности испытуемого материала кратковременным тепловым импульсом, регистрации интервала времени, соответствующего экстремуму температурной кривой после воздействия тепловым импульсом на материал, в какай-либо точке испытуемого материала. удаленной от места произведения нагрева.Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает высокую точность определения коэффициента температуропроводности материалов. Это объясняется тем, что определение экстремума температурной кривой сопровождаетдля комплексного определения теплофиэических характеристик материалов, Цель изобретения - повышение точности. На поверхность исследуемого материала воздействуют тепловым импульсом от линейного источника тепла и регистрируют температуру на линии действия тепла и на заданном расстоянии от этой линии в фиксированный момент времени, а в качестве фиксированного момента времени выбирают момент, соответствующий равенству избыточной температуры в точке на заданном расстоянии от линии нагрева и разно- сти избыточных температур на линиинагрева и на заданном расстоянии от этой линии. 3 ил. ся значительными погрешностями вследствие "размытого" характера этого экстрему-, ма, что обусловливает субьективные ошибки экспериментатора и пониженную точность работы электронных дифференцирующих устройств,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предла- ОЭ гаемому является способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий импульсное тепловое воздействие линейным источником тепла на поверхность исследуемого материала, регистрацию температуры на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от него в фиксированный момент времени с последующим вычислением искомых характеристик,Недостатком указанного способа является его низкая точность, обусловленная необходимостью измерения двух координат.1712849 точек на поверхности исследуемого материала от линии действия тепла, в которых ре-, гистрируется температура, з также относительной сложностью расчетных формул для нахождения искомых характери стик.Цель изобретения - повышение точности.На Фиг. 1 показан пример осуществления способа; на Фиг, 2 - схема включения 10 измерительных преобразователей температуры; на фиг. 3 - графики избыточных температур на линии действия источника тепла Т (О, т), в точке на заданном расстоянии от линии нагрева Т(х 1, т) и разности ЬТф = 15 =Т(О, т) -Т(х 1,7).На теплоизолированной поверхности испытуемого образца 1 помещают на расстоянии х 1 линейный нагреватель 2 и датчик 3 температуры и осуществляют воздействие 20 тепловым импульсом, Температурное поле Т (х, т) при действии линейного импульсного источника тепла на поверхность полуограниченного в тепловом отноаении испытуемого образца (Я= О) описывается за виси мостью или Отсюда 0,3 бхт Г 1. (8) О,гг аДТ( )135Таким образом, при известном значении О=сопзт после подачи теплового импульса, регистрируя момент времени к 1,соответствующий равенству между избы 40 точной температурой Т (х 1, т 1) в точке назаданном расстоянии х 1 от линии нагрева иразностью ЛТ( ц) избыточных температурна линии действия источника тепла Т(0, т 1) ина заданном расстоянии от нее Т (х 1, т 1),45 можно по формулам (7), (8) и (9) определитьтеплофизические характеристики материа-лов.Для повышения точности может бытьрекомендован относительный способ опре 50 деления теплофизических характеристикматериалов. Для этого на теплоизоляторепомещзются линейный нагреватель и датчик(и) температуры, которые в целом представляют собой измерителЬный зонд. 855 режиме калибровки указанный измерительный зонд приводится в тепловой контакт сматериалом с известными теплофизически- .. ми характеристиками и определяются а, АС р по формулам (7 Ц 8) и (9),= Т ( О, т 1 ) - т ( х , г 1 ),Т(х,х) =- - -ехр ( -- ), (1) где О - энергия. теплового импульса в расчете на единицу длины, Дж/м;х - координата, отсчитываемая от оси источника,м;А- коэффициент теплопроводности, Вт/м; К;а - коэффициент температуропроводности, м /с;т- время, с.Температура на линии действия источника тепла, определяется соотношением (линейный источник может быть конструктивно совмещен с термодатчиком) Т(р, ) - 2(=. (2)Для определения теплофизических характеристик материалов осуществляется регистрация момента времени т 1, соответствующего равенству Между избыточной температурой Т (х 1, й) в точке на заданном расстоянии х 1 от линии нагрева и разностью избыточных температурЛТ ( т 1) нз линии действия тепла Т(0, й) и на заданном расстоянии от линии нагрева Т (х 1, т 1).Следовательно,(3) гдеДТ(ц ) = - 2 хх - 1 - ехр (- - , (4)Тогда выражение (3) можно записатькак-- т - 1 - ехР -Еет,ехр ( -- ) =0,5 .(6) х 1 Подставив в формулу (4) выражение Р), определяют коэффициент теплопроводности1 Формулы (7) и (8) позволяют получитьвыражение для объемной теплоемкостиПосле этоо осуществляют измерениетеплофизических характеристик исйытуемых материалов с учетом данных, полученных при калибровке измерительного зонда.Подобный подход позволяет исключить взначительной степени систематические погрешности измерений и не производитьпрямые и косвенные измерения величин Ои х 1.8 качестве примера технической реализации предлагаемого способа может бытьиспользовано совмещение линейного электронагревателя с термопарой, спаи которойсварены встык, для измерения температурыТ(О,х). На заданном расстоянии х 1 отлинейного нагревателя измеряются температурыТ (х 1, ) в двух точках. При этом эти точкимогут быть расположены с одной стороны отисточника тепла (нагревателя) или симметрично: Т (х 1,.х) и Т (-х 1, ф После подачитеплового импульса переключателем электроды термопар соединяются по следующейсхеме(фиг. 3). Термопары Тл 1, Т 2 включены, согласно (образуют термобатарею) и соединены с термопарой Тп 3 по дифференциальной схеме, В момент х 1 нуль-индикаторомрегистрируется разность Т (х 1, х 1) - ЬТ(х 1)=0,Е( ЬТ( хЯ - термоЗДС, являющаяся функцией разности избыточных температур налинийдействия источника тепла и на заданном расстоянии от нее,Методом математического и машинногомоделирования на ЭВМ ЕС 1840 проведенрасчет иззбыточных температур при х=0, их 1 2 10 м, 0=11,5 Дж/м, 1=0,1 Вт/м:К а="3 10 м/с, Результаты расчетов приведены в виде графиков на фиг. 3.На основанииполученных термограмм нагрева определенмомент времени х 1- 4,81 с, соответствующий равенству Т (х 1, х 1)= ЬТ(х 1 )=1,905 С, Поформулам Я и (8) рассчитаны коэффициенты тепло- и температуропроводностиарасч.=2,994 10 м.с;.7 2 Ярасч=0, 1.004 Вт(м К.Тогда относительные погрешности определения коэффициентов тепло- и темпе ратуропроводности будут соответственно равны да=0,2, дА,4,Таким образом, использование предлагаемого сгюсоба определения теплофизиче ских характеристик материалов позволяетповысить точность определения искомых коэффициентов по сравнению с прототипом.гФормула изобретения 10 .Способ определения теплофизическиххарактеристик материалов, включающий импульсное тепловое воздействие линейным источником тепла на поверхность исследуемого материала, регистрацию 15 температуры в двух точках поверхности вфиксированный момент времени с последующим вычислением искомых характеристик, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в качестве фиксиро ванного момента времени выбирают мо. мент времени, соответствующий равенству избыточной температуры в точке на заданном расстоянии от линии нагрева и разности избыточных температур на линии 25 . нагрева и на заданном расстоянии от этойлинии, а искомые характеристики определяют по формулам 0,36 х 1 0,08 ОЕГ 7 тТчТ30 С"ьт(х 1). д 35.где а, А С,р- соответственно коэффициенттемпературопроводности, теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность исследуемого, материала;40 О - энергйя теплового импульса в расчете на единицу длины;х 1 - расстояние между линейным источником тепла и точкой контроля на линии,параллельной линии.йагрева;.ЬТ ( х 1 ) - разность избыточных температур на линии действия источника тепла и .на заданном расстоянии от нее в моментвремени х 1, когда эта разность равна избыточной температуре в точке контроля.501712 В 49 8оставитель В.Марч хред ММоргентал о ректор Н,Ревская И,Касарда Заказ 532 Тираж . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета йо изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ПроизводственноЮ Й 16 15 льский комбинат ",Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10