Способ определения теплопроводности материалов

(19) (111 5 ОПИС АВТОРСКОМУ С главных осей теплопосЛедовательно освание по плоским пкаждой из трех главодности образца,коэффициенты теплоделяют по формуламОэт 8этг 3 пр эт Вг, 13Вэт 6 Лз =эт 8 8 1де ль первого, вт енерфемл е температуры верхностей образца на линии нагрева вдоль первого, втоЭТ бэба ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ ИЗОБРЕТИДЕТЕЛЬСТВУ(7 1) Московский ордена ТрудовогоКрасного Знамени геологоразведочныйинститут им.Серго Орджоникидзе(56) Попов Ю.А. Нти применения акт екоторые особенносивного теплового меДефектоскопия, 1975,тода контроля.В 2, с. 56.Авторское свидетельство СССР 9 1032382, кл, С 01 И 25/18, 1981. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев последовательно установленных эталонного образца с известной теплопроводностью и исследуемого образца подвижным точечным источником тепловой энергии, перемещаемым вдоль поверхности образцов с постоянной скоростью, и измерение датчиком температуры, перемещаемым со скоростью источника на фиксированном расстоянии от него, избыточной предельной температуры поверхности образцов по линии нагрева, о т л и ч а ю щ и й с я тЪм, что, с целью расширения области применения способа за счет обеспечения возможности определения теплопроводности анизотропных материалов, исследуемый образец выполняют с двумя взаимно перпендикулярными плоскими поверхностями, перпендикулярными главным осям теплопроводности образца устанавливают направление перемещения источника энергии и датчика температуры параллельным одной из проводности, затем уществляют сканирооверхностям вдоль вных осей теплопропосле чего осевыеоводности опре - осевые коэффициенты плопроводности об- азца соответственно рого и третьег правлений пере ния источника гии и датчика пературы, 9, О,;Эз - избыточные пред рого и третьего направлений перемещений источника энер-гии и датчика температуры,коэффициент. теплопроводности эталонного образца;избыточная предельная температура поверхности эталонного образца на линии нагрева, 1179186Изобретение относится к технической физике.Цель изобретения - расширение области применения способа за счет обеспечения возможности определения теплопроводности аниэотропных материалов.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплопроводности материалов, 1 О включающему нагрев последовательно установленных эталонного образца с известной теплопроводностью и исследуемого образца подвижным точечным источником тепловой энергии, переме щаемым вдоль поверхности образцов с постоянной скоростью, и измерение датчиком температуры, перемещаемым со скоростью источника на фиксированном расстоянии от него, избыточной предельной температуры поверхности образцов по линии нагрева, исследуемый образец выполняют с двумя взаимно перпендикулярными плоскими поверхностями, перпендикулярными глав- р 5 ным осям теплопроводности образца, устанавливают направление перемещения источника энергии и датчика температуры параллельным одной из главных осей .теплопроводности, затем по- ЗО следовательно осуществляют сканирование по плоским поверхностям вдоль каждой из трех главных осей теплопроводности образца, после чего осевые коэффициенты теплопроводности35 определяют по формулам: эт 1 .Эт 2, эт 3 где Л ЛЭ - осевые коэффициенты 401 ф 2 3теплопроводностиобразца соответственно вдоль первого, второго и третьего направлений 45перемещения источника энергии и датчика температуры;0,19, В 5 - избыточные предельные температуры поверхностей образцана линии нагревавдоль первого, второго и третьего направлений перемещений источника энергии и датчика температуры; Лэт - коэффициент теплопроводности эталонного образца;гэт избыточная.предельная температура поверхности эталонного образца на линии нагрева.Изготовление на исследуемом образце двух взаимно перпендикулярных плоских поверхностей, перпендикулярных главным осям теплопроводности образца, установление первоначального направления перемещения источника энергии и датчика температуры параллельным одной из главных осей теплопроводности, двукратное изменение направления перемещения источника энергии и датчика температуры относительно исследуемого образца и осуществление в процессе указанных перемещений операций нагрева и измерения избыточной предельной температуры двух взаимно перпендикулярных поверхностей образца по линии нагрева вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений (главных осей теплопроводности) позволяют на основе полученных соотношений для температурного поля анизотропного тела, нагреваемого подвижным точечным источником энергии, определить осевые коэффициенты теплопроводности образца, т,е. решить задачу определения теплопроводности анизотропных материалов.На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа,Точечный источник 1 тепловой энергии и датчик.2 температуры размещены над эталонным образцом 3 с известной теплопроводностью и исследуемым образцом 4. На эталонном и исследуемом образцах обозначена линия, вдоль которой в процессе перемещения источника 1 энергии и датчика 2 температуры происходит нагрев образцов и измерение избыточной температуры их поверхностей. Направления перемещения источника и датчика температуры обозначены стрелками. На представленном чертеже главные оси теплопроводности исследуемого образца обозначены бук" вами, Х, У и 2, а соответствующие им осевые коэффициенты теплопроводности Л 1 12 ЗФСпособ осуществляют следующим образом.,Л 5 - осевые коэффициентытеплопроводности внаправлении главныхосей теплопроводностиХ, У, 2,Соотношение для температурного поля в бесконечном анизотропном твердомтеле за счет. действия подвижного точечного источника энергии, перемещаю- Ощегося вдоль оси Х с постоянной скоростью Ч (начиная с момента времени=О) в системе координат, совмещеннойс источником энергии, может быть получено на основе применения методаисточников путем интегрирования соотношения (1) по времени и представле"ния координаты х, как функции време- .ни.Таким образом, в рассматриваемомрежиме нагрева избыточная температу- Ора произвольной точки анизотропноготела,:д (х,у,г) определяется соотно- шением(ср) з/гк)= г(2) 8(хь.которое риводит 3) хсе р2 Л 3 11791На исследуемом образце 4 произвольной формы изготавливают две взаимно перпендикулярные плоские поверхности, перпендикулярные любым двум главным осям теплопроводности образца. Эталонный образец 3 и исследуемый образец располагают последователь- но. Выбирают направление перемещения точечного источника 1 энергии и датчика 2 температуры таким, чтобы оно 1 О было параллельным одной из главных осей теплопроводности исследуемого образца, например оси Х. Затем точечный источник 1 энергии постоянной мощности и жестко связанный с ним датчик 2 температуры начинают перемещать с постоянной скоростью в выбранном. направлении вдоль поверхностей эталонного и исследуемого образцов. В процессе нагрева эталонного и исследуемого образцов измеряют датчиком температуры избыточную предельную температуру их поверхностеи по линии нагрева вдоль укаэанного направления. После нагрева и измерения избыточной предельной температуры на части поверхности исследуемого образцаа изменяют направление перемещения точечного источника энергии и датчика температуры на перпендикулярное первоначальному направлению. Осуществляют нагрев образца источником энергии и измеряют датчиком температуры избыточную предельную температуру поверхности исследуемого образца по линии нагрева вдоль укаэанного второго направления (второй главной оси теплопроводности образца 7). Затем повторно измеряют направление перемеще ния источника энергии и датчикае пе - 4 температуры на перпендикулярное первоначальное нагреваемой поверхности исследуемого образца. Осуществляют нагрев точечным источником энергии второй поверхности образца, перпенй дикулярной первоначально нагреваемой, и измеряют датчиком температуры изэтой быточную предельную температуру это поверхности по линии нагрева вдоль указанного третьего направления (трести тьей главной оси теплопроводности образца Е).Известно что температурное поле бесконечного анизотропного твердого тела с осевыми коэффициентами тепло проводности й, й 2, йЪ в направлении главных осей теплопроводности Х, У и Е, обусловленное действием мгно 86 4венного неподвижного точечного источника энергии, расположенного вначале координат, в момент времениС=О определяется соотношением( (ср) 7Д(тзсз)Ф, (1)ехРгде 1 (х,у,г) - избыточная температура точки тела скоординатами (х,у,г)РЧ - мощность источникаэнергиифс)- объемная теплоемкость образца,- время, отсчитываемоес момента воздействийлл, утем;заменыЕ с я к виду Цс ) - т- -, ;, хСбесконечного тверй поверхностью, сью ХУ, по которойется точечный источных предельныхся соотношением а для полуб дахр срЧ 2) ( нои повер костью Х 2.а для по с гранич ния источни тела ающей ь оси измеряемая пература р определять вп с плоскост Х перемеща поле избыт определяет 6 (х,у,г) -вдолчник,емперат соотношени 256 л х -"-"-" 1 2 3 х У 40 Из со ия (ечноосевь 5) следует, что,е анизотропноещи коэффициентаЛ; 3 г /1 Э восей теплопровояичной поверхше если полуб твердое те ми теплопрост направлени ности Х, У ностью, со ных избыточная предельн пература поверхност тропного тела на ли темгра иэои на и п лоскостью агреват одвижным точечным источником эн перемещающиминой скоростисточником гии, осто вдоль осии жестко с с анным Д палуб были аниэо (9) разца образ 6)-(8мого гии датчик избыточнтемпературы измередельную темпера- тела по линии наанном расстоянии (т.е. в формуле (5 =О), то измеряемая ря ту оверхности на фиксиро источника ть х(0, у= рмулаого обревоэадолож мерымежду где Ч - скорость перемещения точечного источника энергии,с В предельном режиме нагрева, т.е. прив сф , выражение (3) может быть представлено через элементарные функции. Таким образом, избыточная предельная температура произвольной то ки бесконечного анизотропного тела с осевыми коэффициентами теплопроводности Д, Д , Дз в направлении главных осей теплопроводности Х, У,.2, обусловленная действием подвижного точечного источника энергии, перемещающегося вдоль оси Х с постоянной скоростью, в подвижной системе координат, совмещенной с источником энер-гии, будет определяться соотношением температура 9, будет определятьсясоотношением 2 р/ б 4(6)лгде м - избыточная предельная температура поверхности полубесконечного тела на линиинагрева при направленииперемещения источника энер,гии и датчика температурывдоль оси х;(х- расстояние между точечнымисточником энергии и датчиком температуры,Аналогично можно получить, то при наличии направления перемещения источника энергии и датчика температуры вдоль оси У, измеряемая избыточная предельная температура О на линии нагрева будет определяться со" отношением 2 Т(х(Ю Кз (7) сконечного тела с гранич- стью, совпадающей с плосри направлении перемещеа и датчика вдоль оси 2, збыточная предельная темна линии нагрева будет6з= 2%(х(б Да (8)Известно, что при нагреве полу- бесконечного изотропного тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура поверхности тела на линии нагрева, измеряемая датчикомтемпературы, перемещающимся на фиксированном расстоянии позади источника, определя- ется формулойФ грева;теплопроводность изотро го тела.того, чтобы полученные сконечных тел формулы ( праведливы для исследуе ропного образца 4, а фо для эталонного иэотропн 3, необходимо, чтобы ра ов превьппали расстояниеВэт 82ь 20 Л, 1, 3 П - осевые коэффициенты 15теплопроводности исследуемого образцасоответственно вдольпервого, второго итретьего направлений 10перемещения источника энергии и датчикатемпературы, совпадающих с главнымиосями теплопроводности Х, 7, Е;пт - теплопроводностьэталонного образца, 9 ,9 ,дл - избыточные предельные температуры поверхности исследуемого образца на линии нагрева вдольуказанных направлегде точечным источником 1 энергии н датчиком 2 температуры х 1,Поскольку величина о 12/хостается постоянной в процессе нагрева и измерений как для эталонного, так и для исследуемого образцов, то имеют место следующие формулы, по которым после измерения трех избыточных предельных температур по линии нагрева 10 на двух поверхностях исследуемого обРазца :9 ,92, 8 . и избыточной предельной температуры поверхности эталона, От определяют осевые коэффициенты теплопроводности исследуемого 15 образца:эт(10)ятний перемещения то- чечного источника идатчика температуры,От - избыточная предельная температура по,верхности эталонного образца на линиинагрева.Преимущество предлагаемого технического решения перед способом-прототипом заключается. в том, что предлагаемый способ обеспечивает определение осевых коэффициентов теплопроводности.анизотропных материалов и,следовательно, имеет более широкуюобласть применения.В предлагаемом способе в качестветочечного источника энергии можетбыть использован, например, луч лазе.ра типа ИЛГНс длиной волны10,6 мкм и мощностью в пучке 5 Вт.Измерение избыточных предельных температур может быть осуществлено,например, бесконтактным датчикомна основе пироэлектрического.приемника ИГпутем регистрации теплового излучения нагреваемой почерхности,Способ характеризуется малой поРгрешностью.измерений теплопроводности, не превьппающей 2-37., и высокой производительностью. Как показали лабораторные испытания, время,Фнеобходимое для определения осевыхкоэффициентов теплопроводностч одного анизотропного образца (с учетомзатрат времени на .изготовление уобразца двух поверхностей путем алмазного пиления), не превьппает10 мин. Это гозволяет проводить исследование 50 анизотропных образцовза смену.1179186 Составитель В.Битюковедактор М.Петрова Техред Т.Дубинчак Корректо иницка аказ 5655 4 Филиал ППП "Патент", г.ужгород оектная,/ 3 Тираж 897 ВНИИПИ Государственногопо делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Рауш Подписиомитета СССРоткрытийкая наб., д,4/