Способ определения коэффициента температуропроводности

/18 6 01 ОБРЕТЕНИ САН ВУ ТЕ АВТОРСКОМУ(71) Институт высоких температур АН72) А.В.Галактионов, В.А.Петров, С,панов и С.А.Улыбин. ческих свойств вещества методом перческого нагрева. - М Энергоатом1984, с. 104.Петрунин Г,И., Юрчак Р.П. Учет влтеплообмена при измерении темперароводности методом плоских темпеных волн. - Вестник МГУ, 1971, т. 12,613 - 614.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭЦИЕХТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНО(57) Изобретение относится к теплофв частности к определению коэффиц ССР Стези- дидат,яния уроп- атур,с,ФИТИзике,ента Изобретение относится к теплофизике, конкретнее к способу определения коэффициента температуропроводности твердых Известен способ определения циента температуропроводност щийся одним из вариантов метод температурных волн и заключающ греве плоского образца до заданн ратуры, периодическом возд теплового потока в форме прямо импульсов на одну из его поверхн мерении средней температуры его жной поверхности, реги баний температуры на этой ии о поло коле ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР коэффии, являю- а плоских ийся в наой темпеействии угольных остей, из- противострации оверхнотемпературопроводности твердых веществ. Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента температуропроводности и повышение производительности. Поставленная цель достигается за счет проведения периодического теплового воздействия на одну из поверхностей образца в виде прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения 0,15 - 0,35. При этом в установившемся тепловом режиме измеряют разность фаз между первыми и дополнительно между вторыми гармониками колебаний периодически воздействующего теплового потока и температуры на противоположной поверхности, По полученным разностям фаз определяют коэффициент температуропроводности. 2 табл,сти при установившемся температурном 4 режиме, измерении разности фаз между первыми гармониками колебаний падаю- - д щего теплового потока и температуры на фь противоположной поверхности образца )пределении коэффициента температуропроводности по известным соотношениям.Известный способ, как один из вариантов метода температурных волн, обладает наибольшей информативностью, т.е. одновременным наличием нескольких источников информации, и возможностью многократного повторения цикла эксперимента за короткий промежуток времени,Данный способ позволяет при дополнительном измерении величины падающего теплового потока определить в ходе одного эксперимента целый комплекс теплофизических свойств: коэффициенты тепло- и температуропроводности, теплоемкость, и дает возможность проведения измерений в очень узком температурном интервале, что играет важную роль в случае резких изменений теплофизических свойств исследуемых материалов с температурой,Недостатком известного способа является отсутствие учета влияния величины теплообмена на результат измерения, что приводит к увеличению погрешности в определении коэффициента температуроп роводности и может привести к значительным ошибкам как при исследовании материалов с низкой теплопроводностью, так и при высоких температурах, когда заметную функцию выполняет теплообмен излучением.Наиболее близким к предлагаемому является фазово-частотный способ определения коэффициента температуропровности, основанный на методе температурных волн и изложенный в работе заключающийся в периодическом воздействии теплового потока в виде прямоугольных П-образных импульсов на одну из поверхностей нагретой до заданной температуры пластины и измерениях средней температуры ее противоположной поверхности и разности фаз между первыми гармониками колебаний падающего на одну из поверхностей теплового потока и возникающими под его действием колебаниями температуры на противоположной поверхности образца, Причем время нагрева образца тв процессе данного периодического воздействия устанавливается равным полупериоду (т /2) этого воздействия, т.е, коэффициент заполнения импульсов П = тн/т в этом случае равняется 0,5, При таком воздействии основную функцию выполняет только первая гармоника, так как сигнал данной формы не содержит второй гармоники вообще, а остальные гармоники имеют значительно меньшую по сравнению с первой гармоникой амплитуду и практически полностью затухают при прохождении колебаний в образце. Для учета влияния теплообмена путем определения или исключения из расчета безразмерного параметра В 1, характеризующего величину теплообмена, измерения разности фаз данным способом проводят на двух частотах, так как расчетное соотношение, связывающее экспериментально определяемую разность фаз р и коэффициент температуропроводности, содержит два неизвестных параметра к и В 1:р=(к, В;),где к = тли/а- критерии Предводителева;Я10 В = в ,- - критерий Био;ш - круговая частота изменения мощности;1 - толщина образца;а - коэффициент температуропроводности;1 - коэффициент теплопроводности;а - коэффициент теплоотдачи.Недостатками известного способа является увеличение времени эксперимента изза необходимости проведения отдельных измерений на различных частотных режимах и.изменения условий эксперимента при переходе с одного частотного режима на другой, что влечет за собой дополнительные погрешности.Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента температуропроводности и сокращение времени проведения эксперимента.Поставленная цель достигается тем, чтосогласно способу определения коэффициента температуропроводности, заключающемуся в нагреве образца в виде пластины до заданной температуры, периодическом воздействии теплового потока на одну из его поверхностей в виде прямоугольных импульсов, измерении средней температуры противоположной поверхности образца, регистрации колебаний температуры на этой поверхности при установившемся температурном режиме, измерении разности фаз между первыми гармониками колебаний падающего теплового потока и температуры на обратной поверхности образца и опре делении по их величинам коэффициентатемпературопроводности, периодическое воздействие теплового потока устанавливают в виде прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения импульса, значение которого находится в интервале от 0,15 до 0,35, и дополнительно к измерениям разности фаз между первыми гармониками колебаний теплового потока и температуры на противоположной по отношению к нагрева-55емой поверхности образца измеряют разность фаз между вторыми гармониками данных колебаний.Из гармонического анализа такого сигнала получается, что присутствующие в немдве первые гармоники сопоставимы по амплитуде. Это дает возможность, рассчитавразности фаз соответственно между 1 и2-ми гармониками колебаний теплового потока и температуры по результатам одногоизмерения, определить необходимые длявычисления коэффициента температуропроводности две неизвестные величины (к иВ), избежав необходимости проведения отдельных измерений на двух частотных режимах. Кроме того, при переходе с одногочастотного режима к другому могут измениться условия эксперимента, В итоге сокоащается время измерения вдвое иувеличивается его точность.Способ осуществляют следующим образом,Нагревают плоский образец до необходимой, задаваемой в эксперименте температуры с помощью какого-либо нагревателя(основной),После установления стационарного режима с помощью другого нагревателя (вспомогател ьно го) осуществл я ют на одну изповерхностей образца периодическое тепловое воздействие в виде прямоугольныхимпульсов с коэффициентом заполнения 1,устанавливаемого в пределах от 0,15 до0,35,Оптимальное значение П = 0,25, так какпри значениях П, равных 0,25 и 0,75, амплитуда второй гармоники колебаний падающего теплового потока, а значит иамплитуда второй гармоники колебанийтемпературы на поверхности образца будутнаибольшими по сравнению со случаямиустановления любых других значений П, Поэтому регистрация, второй гармоники колебаний температуры при данных величинахП приведет к меньшей случайной погрешности измерений, Из двух значений П (0,25 и0,75), предпочтение отдается первому изних, в связи с тем, что использование второго значения приводит к значительному увеличению времени установления тепловогорежима, при котором производятся измерения.Отклонения коэффициента заполнения от оптимальной величины в пределах0,15 - 0,35 не приводят к значительномууменьшению амплитуды второй гармоники. Поэтому установление в экспериментелюбого значенияиз данного интервалаприводит к достижению положительногоэффекта,После установления квазистационарного теплового режима, характеризующегосяповторением одинаковых колебаний температуры около среднего ее значения на поверхности образца, противоположной510152025 30 3540 4550 55 ют первые две гармоники и определяют разности фаз соответственно между первыми и вторыми гармониками периодического воздействия лазерного излучения ирегистрируемых колебаний температуры наповерхности образца. По полученным реотносительно периодически нагреваемой, измеряют среднюю температуру этой поверхности и регистрируют указанные температурные колебания, Определяют разности фаз соответственно между первыми и вторыми гармониками колебаний периодического действующего теплового потока и температуры на противоположной поверхности.Решая систему двух уравнений, вытекающую из зависимости разности фаз от коэффициента температуропроводности, определяют коэффициент температуропроводности по полученным из эксперимента двум значениям разности фаз.П р и м е р. Определение коэффициента температуропроводноСти кварцевой керамики марки НКО 980.Исследуемый образец из керамики, выполненный в виде диска диаметром 30мм и толщиной 1,56 мм, нагревается в цилиндрической молибденовой печи до задаваемой в эксперименте температуры. Серию наблюдений проводят поочередно при задании следующих значений температур: 890, 1080, 1260 К, После установления стационарного режима на одну из поверхностей образца периодически воздействуют лазерным излучением на длине волны 10 6 мкм, генерируемым лазером ЛГ - 25 Б, мощность которого равна 25 Вт. Периодическое воздействие осуществляют с помощью модулятора, изготовленного на базе электромагнитного реле, и устанавливают в форме прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения импульса. значение которого задается из интервала 0,15 - 0,35. Период воздействия равен 8 с. При установившемся тепловом режиме фиксируют среднюю температуру противоположной поверхности образца и проводят регистрацию температурных колебаний на данной поверхности. В качестве регистрирующего датчика применяютинфракрасный фотоприемник излучения, сигнал с которого после усиления и фильтрации с помощью четырнадцатиразрядного АЦП записывают в память ЭВМ,куда также поступают данные о временных параметрах приодического теплового воздействия. Используя быстроепреобразование Фурье, программным способом из записанного сигнала выделя(а; - а) Я(а) = 45- среднее зн ие коэ -де 5 дности по рефициента темпера зультатам и наблю а - среднее температуропрово результатам 1-го н и - количество ном примере и = 3 Результаты ра ности определениятуропровдений,значениедности, оаблюдени наблюде коэ ред ициента емое по ний (в онк)чета случайнкоэффициент зультатам определяют коэффициент температуропроводности исследуемого материала.Для возможности сравнения результатов аналогичные измерения проведены также известным способом, когда коэффи.циент заполнения импульсов периодического теплового воздействия равен 0,5, а измерения разности фаз между первыми гармониками колебаний периодически воздействующего на одну из поверхностей образца лазерного излучения и колебаниями температуры на противоположной поверхности проводят на двух режимах, отличавшихся значениями периодов лазерного нагрева (4 и 8 с).Источниками ошибок определения коэффициента температуропроводности являются погрешности в измерении толщины образца, периода теплового воздействия и разности фаз. При этом основной вклад в погрешность определения коэффициента температуропроводности вносит случайная погрешность определения критерия к, обусловленная, главный образом, случайной погрешностью нахождения разности фаз, Так ка лучайные погрешности измерения толщины образца и периода нагрева в сравниваемых методах равна ограничивают сравнением случайных погрешностей определения коэффициента температуропроводности, обусловленных погрешностью определения критерия к.Случайную погрешность определения коэффициента температуропроводности оценивают по среднему квадратическому отклонению Я(а) среднего значения коэффициента температуропроводности а, полученного по результатам серии из 30 наблюдений. Среднее квадратическое от-. клонение определяют по формуле 20 25 30 35 40 туропроводности по 30 наблюдениям, проведенным при средней температуре образца 1260 К - известным (П = 0,5) и предлагаемым (П = 0,25) способами, приведены в табл.1,Аналогичные расчеты погрешностей сделаны по данным измерений, проведенных при средних температурах образца 890 и 1090 К, для случаев, когда коэффициент заполнения П устанавливают равным 0,1;0,15; 0,25; 0,35 и 0,5. Последний случай соответствует измерением известным способом, а остальные случаи относятся к измерениям предлагаемым способом, Результат расчетов сведен в табл.2,Как видно из приведенного примера, случайная погрешность измерений, проведенных предлагаемым способом меньше,чем измерений, проведенных известным способом. Это обстоятельство обьясняется несколькими факторами. В отличии от известного способа, предполагающего раздельные, а значит независимые измерения разности фаз между первыми гармониками колебаний падающего теплового потока и температуры на противоположной поверхности образца при поочередном установлении двух частотных режимов, предлагаемый способ дает. возможность одновременного измерения разности фаз соответствующих колебаний, так как в этом случае в образце устанавливаются температурные колебания одновременно на нескольких частотах, в том числе соответствующих частотным режимам известного способа. Наличие корреляции между результатами измерения разности фаз приводит к уменьшению случайной погрешности определения коэффициента температуропроводности.Другой причиной большей погрешности известного способа являются изменения условий измерений при сменах частотных режимов. Такие изменения в основном связаны с нестабильностью источников, используемых для периодического нагрева образца, отклонениями от заданных параметров устройств, определяющих частоту и скважность периодического воздействия(в конкретном примере - модулятор), изменениями температуры основного нагревателя, а значит, и температуры образца при переходах на другой частотный режим, Последнее обстоятельство приводит к тому, что на различных частотных режимах критерии Био и значения коэффициентов температуропроводностей будут не равны, в то время как математическая модель эксперимента предполагает их равенство. Случай ную погрешность может внести и ухо параметров отдельных элементов регистри10 1721492 пературном режиме, измерении разностифаз между первыми гармониками колеба-ний падающего теплового потока и температуры на противоположной поверхности5 образца и определении по их значениямкоэффициента температуропроводности,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности определения и повышения производительности, дополнительно10 измеряют разность фаз между вторыми гар- мониками колебаний падающего тепловогопотока и температуры на противоположнойповерхности образца, установив для этого значения коэффициента заполнения15 импульса в пределах от 0,15 до 0,35 и определяют коэффициент температуропроводности по двум измеренным значениямразности фаз,Тбпи ца 1ееж ж ж6. рующей схемы за время перехода от одного частотного режима на другой,Предлагаемый способ полностью свободен от этих недостатков, следовательно, он более точен. Способ определения коэффициента температуропроводности, заключающийся в нагреве образца в виде пластины до заданной температуры, периодическом воздействии теплового потока в виде прямоугольных импульсов на одну из его поверхностей, измерении средней температуры противоположной поверхности образца, регистрации колебаний температуры на этой поверхности при установившемся темП = 0,25 х 106 Опыт жжа, а,-а а -а1721492 12 Таблица 2 Составитель Н,Грищенедактор Н.Рогулич Техред М,Моргентал орректор М. Шарош роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, ужгород, ул.Гагарин аказ 948 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва. Ж, Раушскэя наб 4/5