Способ определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов и устройство для его осуществления

.СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ РЕСПУБЛИК 8013578 1)4 СО И 25 ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ лофизи СССР984.СР983,СР1984,ОФИЗИОБРАЗДЛЯ ЕГО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт технической тепки АН УССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКИХЦОВ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВООСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к теплофиэическому приборостроению и предназначено для определения ТФХ твердых неметаллических материалов,Целью изобретения является повышениеточности измерений ТФХ, В способепроводят измерения перепадов температур на прослойках, имитирующих балластные тепловые сопротивления. Вустройство введены две пары корректирующих датчиков температуры. Термочувствительные элементы каждойпары расположены по обе стороныпрослойки, имитирующей балластноетепловое сопротивление, а поверхности технологических прослоек тепломеров, контактирующие с исследуемымобразцом, покрыты металлической эвтектикой. 2 с. и 1 з.п.ф-лы. 3 ил.13578Изобретение относится к тепло- физическому приборостроению и предназначено для определения теплофизических характеристик (ТФХ) плоских5 образцов твердых неметаллических материалов в квазистационарном тепловом режиме на основе теплопоточных измерений.Цель изобретения - уменьшение погрешности определения теплопроводности и температуропроводности исследуемого образца.На фиг.1 представлена схема расположения тепломеров, датчиков тем пературы и прослоек относительно исследуемого образца; на фиг.2 - графики распределения температур и плотностей теплового потока по сечениям в кваэистационарном тепловом режи ме; на фиг.3 - конструктивная схема устройства. На фиг.1 обозначены тепломеры 1 и 2, контактирующие с исследуемым об разцом, дополнительные тепломеры 3 и 4, неразьемно соединенные попарно с имеющимися тепломерами 1 и 2 соответственно, датчики 5 и 6 температуры поверхностей тепломеров 1 ЭО и 2, контактирующих с исследуемым образцом, пары корректирующих датчиков 7, 8 и 9,10 температуры, технологические контактные прослойки 11 и 12, прослойки 13 и 14, имитирующие бал. - ластные тепловые сопротивления, исследуемый образец 15, нагреватели 16 и 17.На фиг.2 Х, , Х- коор 1 оБр2 обрдинаты поверхностей исследуемого об О разца; Х Х, Х , Х - координать 1 серединных сечений тепломеров 1 - 4; Х, Х, Х Х, Х и Х, - координаты сечений, в которых расположены термочувствительные элементы датчиков 5 - 10 температуры.Устройство, реализующее способ, содержит теплообменник 18, тягу 19, коромысло 20, винт 21, шарнир 22, стакан 23 подвижного экрана, пассивную теплоизоляцию 24 подвижного экрана, колпак 25, защитный кожух 26.В основу способа определения ТФХ положено решение одномерной задачи теплопроводности для бесконечной однородной пластины толщиной Ь = 2 Н. Скорость изменения температуры на поверхностях пластины задана одинако. вой и постоянной (Ъ=сопэТ). Разность 13температур поверхностей пластины то-.же постоянна,При реализации предлагаемого спо.соба плоский образец исследуемогоматериала помещают между двумя блоками программированного изменениятемпературы (например, нагревателями ), с помощью. которых производятразогрев с постоянной и одинаковойскоростью обеих поверхностей исследуемого образца при неизменной разности температур этих поверхностей.Между нагревателями и поверхностями образца помещены измерителитемпературы (датчики температуры) итеплового потока (тепломеры), (фиг.1),В качестве датчиков температуры могут быть использованы, например,термопары, а в качестве измерителейплотности теплового потока - термоэлектрические тепломеры, выполненные по принципу вспомогательнойстенки.Если в качестве имитационныхпрослоек принять прослойки 13 и 14(Лиг, ), ограниченные сечениями,проходящими через координаты Хи Х , Х и Хтермочувствительных элементов корректирующих датчиков 7 - 10 температуры, сумму перепадов температур, измеренных этими парами датчиков температур, можно представить следующим образомН(Х 8-Х 7,)экю Ов+ Ц 7Т + лТ +9.7 9-7 С2Н (Х 7 Хо).7 йй Я+ ЯоЧ Ч , Ч Ч- плотности теплового потока вупомянутых сечениях.В силу идентичности по теплофизическим свойствам и геометрическим размерам обеих имитационных прослоек 13 и 14 имеет место равенствоН (Х Х 7 ) Н(Х 3 Х 1 о )Хиспользуя которое, а также учитывая условия расположения имитационных прослоек на одинаковом расстоянии от поверхностей теплсмеров, контактирующих с исследуемым образцом, линейности изменения теплового потока поз 1357813 4толщине, можно равенствопреоб- чиков 7, 8 и 9, 10 температуры наразовать к виду имитационных прослойках 13 и 14, т.е. Т + Т = К - - . (2) 8.2 9-1 о2 5 ОТ Ж (АТЯ 7 Л -0 ) (4)Безразмерная константа у не зависит от температуры, поскольку она равна отношению эффективных тепловых сопротивлений, находящихся при близких температурах.Расчетные соотношения для искомых теплопроводности и температуропроводности принимают вид Если рассмотреть отношение температурной поправки 8 Т к сумме 2- 2, (3)Т 8-т+ Ъ 1 аполучим выражение температурной поправки УТ через безразмерную константу а и сумму перепадов температур, измеренных парами корректирующих дат-"5 Од 5 Ь (Я 1+ Я 2) За температуру отнесения принимается среднеобъемная температура, определяемая интеграломхг1Т Т(Х) дх.отн Н(Х . - Х )1 ооР гоР(7) Расчетная формула для температурыотнесения, полученная после рядапреобразований, имеет вид 3 Т- аг Т = Т + ---- (1+ -"- - ). (8) отн 3 Ч+Ч 1 2В устройство, реализующее способ определения ТФХ, сожержащее два блока программированного изменения температуры и две пары контактирующих между собой тепломеров 1 и 3,2 и 4, из которых тепломеры 1 и 2, контактирующие с исследуемым образцом 15,снабжены датчиками 5 и 6 температуры поверхностей контакта с исследуемым образцом 15, дополнительно введены две пары корректирующих датчиков 7,8 и 9,10 температуры. Термочувствительные элементы датчиков 5 и 6 температуры расположены в массиве тепломеров 1 и 2 таким образом, что их отделяют от поверхностей контакта с исследуемым образцом технологические прослойки 11 и 12. Термочувствительные элементы двух пар корректирующих датчиков 7,8 и 9,10 температуры расположены по разные стороны от имитационных прослоек 13 и 14 соответственно, которые выполнены таким образом, что их серединные сечения равноудалены от поверхностей Я: Я - , (6)ЦЗС 1 г -тепломерови 2, контактирующих сисследуемым образцом.Верхний блок программированногоизменения температуры выполнен в виде электрического нагревателя 16, адругой блок - в виде нагревателя 17,неразъемно соединенного хорошим тепловым контактом (например, пайкой )с теплообменником 18.Стабильность теплового контактатепломеров 1 и 2 с исследуемым образцом обеспечена применением металлической эвтектики, наносимой на поверхность технологических контактных прослоек 1 и 12 тепломероь 1 35и 2, контактирующих с исследуемымобразцом 15, а также постояннойсдавливающей нагрузкой, создаваемойс помощью механизма нагружения. Механизм нагружения передает усилиена образец 15 через тяги 19, коромысло 20, винт 21 и шарнир 22, скоепленный с нагревателем 16. Для уменьшения теплообмена с 45окружающей средой и создания требуемого температурного режима верхний нагреватель 16 и образец 15 окружены подвижным экраном, выполненным 50в виде стакана 23, из высокотеплопроводного материала. На внутреннейбоковой поверхности стакана 23 смонтирован слой пассивной теплоизоляции24 из экранно-вакуумного теплоизоляционного материала. Все устройство всборке накрыто колпаком 25, в качестве которого использован сосуд Дьюара в защитном вакуумплотном кожухе 26.135781Предлагаемое устройство работает следующим образом.Исследуемый образец 15 помещают в зазор между тепломерами 1 и 2. С5 помощью винта 21 образец нагружают с требуемым усилием и опускают подвижный экран 23 и колпак 25, Внутренний объем под колпаком 25 вакуумируют и с помощью блоков программированного изменения темгературы прогревают сборку до температур, превышающих температуру плавления металлической эвтектики, нанесенной на поверхности прослоек 11 и 12 тепломе ров 1 и 2, контактирующих с исследуемым образцом. Эта операция обеспечивает равномерное заполнение метал-. лической эвтектикой шероховатостей поверхности образца 15 и значительно (на 2-3 порядка ) уменьшает контактное тепловое сопротивление, После выдержки устройства при этой температуре устанавливают один иэ режимов программированного изменения 5 температуры.Первый режим включает охлаждение с помощью теплообменника 18 до нижнего значения диапазона рабочих температур устройства при фиксированной заданной разности температур между нагревателями 16 и 17 и постоянной скорости изменения температуры.Второй режим включает охлаждение с произвольной скоростью до нижнего значения диапазона рабочих температур с последующим нагревом до верхнего значения диапазона рабочих температур при фиксированной заданной разности температур и постоянной скорости иэ менения температуры.Третий режим (циклический ) включает нагрев до верхнего значения диапазона рабочих температур с последующим охлаждением до нижнего значе ния диапазона рабочих температур при фиксированной заданной разности температур между нагревателями 1 б и 17 и постоянной скорости изменения температуры с неоднократным повторением цикла.По достижении на любом из указанных режимов квазистационарного теплового .состояния, о чем судят по постоянству показаний тепломеров, свидетельствующему о постоянстве тепловых потоков во времени, производят 36регистрацию показаний всех тепломеров и датчиков температуры и обработку их по расчетным формулам,Способ и устройство позволяют повысить точность измерения ТФХ, в частности теплопроводности и температуропроводности на 27, за счет учета теплового сопротивления контактных технологических прослоек путем измерения корректирующими датчиками температуры перепадов температур на прослойках, имитирующих балластное тепловое сопротивление, а также за счет улучшения теплового контакта соприкасающихся поверхностей тепломеров и исследуемого образца путем покрытия поверхностей тепломеров, контактирующих с исследуемым образцом, металлической эвтектикой, теплопроводность которой на несколько порядков выше, чем эффективная теплопроводность газов или жидких органических смазок, применяемых обычно для снижения контактного теплового сопротивленияФормула и з обретения1,Способ определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов, заключающийся в измерении плотности теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности плоского образца, температур этих поверхностей, изменении плотностей теплового потока по толщине тепломеров, одновременно являющихся образцами сравнения с известными теплофизическими свойствами, и вычислении искомых характеристик, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения погрешности определения теплофизических характеристик, в частности теплопроводности и температуропроводности, дополнительно измеряют перепады температур н прослойках, имитирующих балластные тепловые сопротивления контакта, а искомые теплопроводность и температуропроводность вычисляют по шормулам3(Т 5 ) х(1 т + АТ )теплопроводность;температуропроводность;- толщина исследуемого образца;Я Ч - плотности теплового потока,проходящего через поверхность исследуемого образца; дЧ11 г-л- изменения плотности теплового потока по толщине об 15разцов сравнения с известными теплофизическими свойствами;д Т- разность температур сечений,проходящих через координатытермочувствительных элементов датчиков температурыповерхностей тепломеров,контактирующих с исследуе 25мым образцом;ДТ и3 Т, - перепады температур на прослойках, цитирующих балластные тепловые сопротивления контакта;с - константа, учитывающая известные теплофизическиесвойства образцов сравнения;Х, у - безразмерные константы, независящие от температуры. З 52. Устройство для определениятеплофизических характеристик плоских образцов материалов, включающеедва соосно и последовательно расположенных блока программированного изменения температуры исследуемогообразца, на каждом из которых на обращенных одна к другой поверхностяхустановлены неразъемно с упомянутымиповерхностями два контактирующих между собой тепломера, причем один изних, контактирующий с исследуемым образцом, снабжен датчиком температурыповерхности тепломера, контактирующей с исследуемым образцом, о т л и 4 ч 3-1 7-лч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности определения, оно дополнительно содержит две пары корректирующих датчиков температуры, при этом термочувствительные элементы каждой пары корректирующих датчиков температуры расположены по обе стороны прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта и размещенной между блоком программированного изменения температуры и поверхностью ближайшего тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, при этом серединное сечение каждой прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта, равноудалено от поверхности ближайшего тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, а эффективное тепловое сопротивление каждой прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективное тепловое сопротивление слоя, расположенного между сечением, проходящим через координату термочувствительного элемента датчика температуры поверхности тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, и этой поверхностью тепломера.13, Устройство по и. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности определения теплофизических характеристик за счет улучшения теплового контакта с поверхностями исследуемого образца, поверхности тепломеров, контактирующих с исследуемым образцом, покрыты металлической эвтектикой с температурами фазовых превращений, лежащими за пределами диапазона рабочих температур устройства..Зимокосо Про ственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул. Проектная 5990/42 Тираж 776 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Рау