Способ определения коэффициента температуропроводности веществ

(57) Изобре ной технике определени стик полупр тения - по мерител овано д арактер ль изобрееделения водности уменьшеавляющей змерений, ны нагре- ническому льск коэффици полупрозр ния влиян теплового Плоский о новь 1 ческие иностр зм офи- оатовают закон ратур двух з ют темпеца и для .тепловоза, измеуры и еерассчитыЛ К ВО ФИичающихся в дв лебаний темпе еличинам котор характеристику ком с частоебаний темобразцают амплитудвают частотузмеряют аммпературы,одности рас ым пот фазе ко хности измеря ы, удваи закону тепло етствую щей ы на повер е 120-160 С й температур и теплового и фазу колеб ент темпера т по формул еско ой с ера сти тепти к спо- СВОЙСТВ овано в и разрадиапазон колзбани модуляци плитуду коэффици считываю нии те уропро(т - толщина обр а (м); ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Институт теплофизики Ураления АН СССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРВЕЩЕСТВ Изобретение относится к обла лофизическихизмерений,в частнос сабам измерения теплофизических материалов и может быть использ лазерной и космической технике пр ботке и производстве современных композиционных, керамических и других конструктивных материалах.Цель изобретения - повышение то. сти измерения коэффициента темпер ропроводности,Укаэанная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента температуропроводности полупрозрачных веществ, включающем измеГение толщины образца, нагрев плоского образца, воздействие на него модулированным по гармонитение относится к из и может быть использ я теплофизических х озрачных веществ, Це вышение точности оп ента температуропро ачных веществ за счет ия радиационной сост потока на результаты и бразец заданной толщимодулированным по гармо у тепловым потоком, измеря у на тыльной стороне обра начений частоты модуляци го потока, разл ар ряют фазу ко рат амплитуду, по в ых вают искомую .3 ота модуляции теплового потокующая фазе колебания 120-1601807362 55 1 11,А, (Рс 1. Ра);Иде А - , -- отношение амплитуд колеба 2ний температуры на частоте, соответствующей фазе 120-160 и удвоенной частоте соответственно;р; - фаза колебаний температуры на частоте, соответствующей фазе в диапазоне 120-160 О (град),у 7 с 2 - фаза колебаний температуры на удвоенной частоте (графИзмерение амплитуды колебаний температуры на поверхности образца при воздействии на него теплового потока с частотой, соответствующей фазе колебаний 120-160, измерение амплитуды и фазы колебаний после удвоения частоты и расчет коэффициента температуропроводности по предлагаемой формуле обеспечивает уменьшение погрешности измерения коэффициента температуропроводности с 11 до 3;,На фиг, 1 представлен график зависимости Ъ=(А, рс); на фиг, 2 представлены векторные диаграммы, поясняющие уменьшение влияния радиационной составляющей на результаты измерений коэффициента температуропроводности; на фиг, 3 представлена схема устройства, реализующего предложенный сопосб.Способ определения коэффициента темпе ратуро про водности осуществляется следующим образом. Диапазон фазы колебаний температуры поверхности образна взят 120-160 О, При фазе колебаний температуры образца менее 120 не выполняются с достаточной точностью принятые в методе плоских температурных волн допущения, а также усиливается влияние теплообмена, что увеличивает погрешность измерения, В случае, если фаза колебаний температуры образца более 160, амплитуда сигнала на удвоенной частоте недопустимо мала, что приводит к дополнительным ошибкам определения фазы и амплитуды и, следовательно, коэффициента температуропроводности,П р и м е р 1. В качестве материала образца взят оксид бериллия с 40 /,-содержанием окиси магния,Измеряют толщину исследуемого плоского образца, нагревают до температуры 1500 С, воздействуют на образец тепловым потоком, модулированным по гармоническому закону с частотой 11 соответствующей фазе колебаний 12 С, измеря,от амплитуду колебаний температуры и фазовую задержку методом плоских температурных волн,Проводят измерение амплитуды колебаний 01 и фазы колебаний у; на частоте 1. Регистрируют результаты измерений.Увеличивают частоту в 2 раза и проводят те же измерения на частоте 12 = 211, По результатам измерений соотношения амплитудОА =- по графику (фиг, 1) находят фазу210колебаний р кондуктивная ( ярк), свободную от влияния радиационной составляющей. График (фиг, 1) зависимости р = 1 (А, у)с) получен экспериментальным путем дл я А = 1,5; 2; 2,5; 3.В предлагаемом способе уменьшениявлияния радиационной составляющей на результаты измерения коэффициента температуропроводности проиллюстрировано векторными диаграммами (фиг. 2)При частоте 11 =- 0,67 Гц, рс = 120измерены амлитуда сигнала Ос = 6,2 К, амплитуда кондуктивной составляющей Ок =о=-3,6 К, амплитуда радиационной составляющей Ор = 3,6", рк = 150, фаза колебаний радиационной составляющей срр = 90 О.При частоте 12 = 21 - 1,34 Гц измереныОс=35 С Ок=-121 К Ор=36 К, срк= =193,5 О, Рс = 109,6 О, Рр = 90 РВеличина относительной погрешностиопределения кондуктивной составляющей коэффициента температуропроводности предлагаемым способом для образца толщиной 2 мм составляет 3Ла 2 Ло 2 Ау где лр, = лР д) "(А-Д)- абсолотная погрешность определения величины р,дик д Рк- " и к- -производных зависимости д с дпо аргументам р, и А соответственно;Л р, - абсолютная погрешность определения фазы сигнала (была принятой 1, как и в и ро тоти и е);ЛА - абсолютная погрешность определения отношения амплитуд сигналов =0,05 (для наихудшего случая); Лук =(1,1 18)+(0,05 г,г) =210 Подставляются в расчетную формулу для погрешностей следующие значения величин: о= 2 мм. рз = 120 О, ус = 109,6 О, А = =1,77, рк = 150 О, а = 5,0 м /с, ак = 2,5 м /с, определяется относительная погрешностьопределения коэффициента температуропроводности предлагаемым способом:а г 001+ г 2,1 ооз П р и м е р 2. Устанавливают частоту, соответствующую фазе колебаний температуры на поверхности исследуемого образца 140 О, воздействуют на образец тепловым 10 потоком, модулированным по гармоническому закону, измеряют амплитуду колебаний 01 и фазу колебаний рс 1 на частоте 11= 1,12 Гц. Регистрируют результаты измерений. Увеличивают частоту в 2 раза и про водят те же измерения на частоте 1 г = 211 = =2,24 Гц.По результатам измерений соотношения амплитуд А и по графику(фиг, 1) находят Р 20Погрешность определения коэффициента температуропроводности при фазегр,=.140 составляет =3при о =2,0 мм.ро = 140 рс 1 = 132,4" у)к =-160А =- 3,0 ао 1 = 5,1 10 м /с 25 ак=3,510 м /саа 12,1 10 м с-6 г., -б г/П р и м е р 3, Устанавливают частоту, соответствующую фазе колебаний температуры исследуемого образца 160, воздействуют на образец тепловым потоком, модулированным по гармоническому закону, измеряют амплитуду колебаний 01 и фазу колебаний ср,1 на частоте 11= 2,00 Гц,Регистрируют результаты изерений, Увеличивают частоту в 2 раза и проводятте же измерения при частоте 1 г = 211, По результатам измерений соотношения амплитуд А и по графику (фиг. 1) находят ярк,Погрешность определения коэффициента температуропроводности при фазе = 160 составляет 3 %.при о=2,0 мм уЪ =160 )с =171,2" А =5,27 ср, = 172,5" ац = 6,24 10 м /с ак=507 10 м /сПредлагаемый способ может быть реализован следующим устройством (фиг, 3)Устройство содержит лазер 1 (тип ИЛГИ) исследуемый плоский образец 2, установленный напротив лазера 1, Устройство содержит также камеру с системой тепловых экранов 3, допускающего нагрев до 2000 С, нагреватель 4, малоинерционный пи рометр 5 (тип ЛОП), аналого-цифровой измеритель 6 (тип ДВКЗМ), связанную через интерфейс с лазером 1 и камерой 3.Колебания температуры обратной поверхности образца регистрируют с помощью чувствительного малоинерционного пирометра, напряжение с вьхода которого поступает в аналого. цифровой измеритель 6 для измерения фазы и амплигуды колебаний температуры. Цифровая ЗВМрегистрирует полученные данные и управляет ходом эксперимента по заданной программе. Полученные результаты выдаются цифровым печатающим устройством в виде таблицы,На основании полученных результатов величину кондуктивной составляющей коэффициента температуропроводности расчитывают по формуле:10313 1 ста =- где В = т (А, рс 1, фсг),01где А = -- отношение амплитуд колебаний телпературы на частоте, соответствующей фазе 120-160 и удвоенной частоте соответственно;рс 1 - фаза колебаний температуры в диапазоне 120 - 160 (град);рог - фаза колебаний температуры на удвоенной частоте (град);1 - частота модуляции теплового потока (Гц);ст- толщина образца (м),Величина В рассчитывается по формуле:В - 160 4177 - 14,99 Ф + 6,78 Ф" А г 5,43 - 4,44 Ф + 2,45 Фг АВсе расчетные зависимости и величины .1 л жены для удобс 1 ва в память ЭВМ.Использование заявляемого изобретения обеспечивает по сравнению с прототипом получение следующих технико-экономических преимуществ:- погрешность определения коэффициента температуропроводности в предлагаемом способе 3 о, в прототипе 11 , т. е, меньше;- сокращение продолжительности процесса определения коэффициента температуропроводности, т. к. измерения проводятся с одним образцом, по сравнению с прототипом, где измерения проводятся с 3 образцами;- предлагаемый способ определения коэффициента температуропроводности имеет более широкие функциональные возможности, так как этим способом можно измерить с высокой точностью коэффициент температуропроводности и оптически толстых образцов;- предлагаемый способ позволяет диагостировать прямые засветки через образец, т. е. раскалывание образца.Формула изобретения Способ определения коэффициента температуропроводности веществ, включающий нагрев плоского образца заданной толщины модулированным по гармоническому закону тепловым потоком, измерение температуры на тыльной стороне образца и 5 фазы ее колебаний на двух частотах модулированного теплового потока, значения которых различаются в два раза, и последующее вычисление искомой характеристики, о т ли ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения 10 точности определения коэффициента температуропроводности полупрозрачных веществ за счет уменьшения влияния радиационной составляющей теплового потока на результаты измерений, дополни тельно измеряют амплитуду колебанийтемпературы на частоте, соответствующей фазе 120-160, и удвоенной частоте, а искомую характеристику вычисляют по формуле,а = 10313 1 д/В,где 1 - частота модуляции теплового потока;д - толщина образца;В - коэффициент, зависящий от отношения амплитуд колебаний температуры на частоте, соответствующей фазе 120 - 160, и удвоенной частоте, а также фаз колебаний температуры на этих частотах.30ИГР У оставитель А.Смотрицкиекред М,Моргентал орректор Н,Ревска Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 1375 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5