Способ измерения теплофизических характеристик материалов

(19 51)5 6 01 Й 2 ПИ ЕТЕН ЕТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМ материалов АНхин з 1 аейоб о 1 у Ьеа 1 сараз 1 у А, Рпцз, 1961,плофизические Маши настрое ТЕПЛОФИЗИМАТЕ РИАЛОВ к теплофизиче- предназначено= а 6/(Тп) гдеа, сР, Л - т удельная теплоемк образца, соответс Вт/(м К); ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(56) Рагпег Я,.) е 1 а. Вбе 1 ег 1 пип 9 легка ФЛцзчапс йеппа сопсцс 1 ч 1 у -,.М 32, М. 9. р, 1679-1684.Платунов Е,С; и др. Теизмерения и приборы. - Л.ние, 1986, с. 256.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК(57) Изобретение относитсяскому приборостроению и Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено для исследования теплофизических характеристик (ТФХ) материалов,Известен способ измерения ТФХ, заключающийся в том, что мгновенный тепловой импульс известной энергии 6 подают на переднюю поверхность плоского адиабатического образца, в котором расп ространяется вследствие этого одномерный тепловой поток, и регистрируют изменение температуры его задней поверхности на экране осциллографа. Температуропроводность,для исследования теплофизических характеристик. Способ заключается в одновременном нагреве образца по линейному закону периодическими импульсами и измерении приращения его температуры во времени. Для повышения производительности и информативности процесса измерения теплофизических характеристик материалов, преимущественно при значительных тепловых потерях, нагревает переднюю поверхность плоского образца, Измеряют приращения температуры задней поверхности образца во времени, определяют по ней величину критерия Био, характеризующего тепловые потери с поверхности образца, а температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость определяют по математическим зависимостям с использованием критерия Био. 3 ил. теплоемкость и теплопроводность образцрассчитывают по формулам мпературопроводность, ость и теплопроводностьвенно м 2/с, Дж/(кг К), 1721491р, 1 - плотность и толщина образца, соответственно кг/м, м;з11/2 - время достижения изменения температуры задней поверхности образца половины своего максимального значения, с;6 - энергия теплового импульса, поглои(2 енная передней поверхностью образца, Дж/м;Тв - величина максимального изменения температуры задней поверхности образца, К;Недостатками данного способа являются низкая производительнсоть измерений, ограничение на длительность теплового импульса, отсутствие учета тепловых потерь с поверхности образца.Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, заключающийся в периодическом импульсном нагреве известной мощностью образца, находящегося внутри массивной металлической оболочки, температура которой вместе с образцом монотонно изменяется. При этом измеряют приращение температуры и из рассмотрения уравнения теплового баланса при действ.и на него теплового импульса и без него определяют только теплоемкость согласно выражению( с )р ( (1 )о - скорости изменебТния температуры на прямолинейных участ.ках температурной зависимости при действии теплового импульса на образец и без него, соответственно, К/с;о, - поправка на изменение условий теплообмена;ос - поправка на температурную зависимость теплоемкости образца;ОЬ - поправка на изменение линейной скорости роста температуры оболочки эа время измерения при переходе от прямолинейного участка температурной зависимости при действии теплового импульса на образец и без него.Недостатками известного способа является низкая производительность и малая информативность процесса измерения теплоемкости материалов.Одним из факторов нИзкой производительности является измерение лишь теплоемкости образца, а теплопроводность и температуроп роводность необходимо измерять другими методами.Кроме того, этот способ почти полно стью исключает возможность достоверного измерения теплоемкости термодеструктивного материала вследствие осаждения продуктов термодеструкции на внутренней поверхности оболочки и резком изменении 10 при этом коэффициента теплопередачи и, следовательно, поправки (. Изменение по этой же причине теплового сопротивления между малоинерционным импульсным нагревателем и образцом приводит также к 15 большим непредсказуемым ошибкам и в определении величины мощности импульсного воздействия и паразитной теплоемкости нагревателя и термопары.Целью изобретения является павы шение производительности и информативности процесса измерения ТФХ материалов, особенно при значительных тепловых потерях, например, их термодеструкции, 25 Поставленная цель достигается тем, что соглано способу, заключающемуся в одновременном нагреве образца по линейному закону и периодическими импульсами и измерении приращения его 30 температуры во времени, нагревают пере. днюю поверхность плоского образца простой формы, возбуждая в нем распространение одномерного теплового потока, По изменению приращения темпе ратуры его задней поверхности во времени определяют величину критерия Био, характеризующего тепловые потери с поверхности образца, а температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость 40 вычисляют согласно выражениям;(1 5) Тф /1 /21 - /1 /21 . (11)скоро- .10 сть линейного нагрева образца, К/с;Т 1, т 1; Т 21 Л 21; т 21; Т 22, тгг - температура и соответствующее ей время температурно-временной зависимости приращения температуры задней поверхности образца для области действия импульсного теплового воздействия (индекс 1) и его отсутствия в 2 точках (индексы 21, 22) соответственно, К, с;=ВУ =У 2(Ро),гдеХ/ - относительная координата, напередней поверхности = О, на заднейповерхности= 1;Х - текущая координата по толщине образца, м;й = / Л - тепловое сопротивление об 30 разца, м 2 К/Вт;а - тепловые потери с поверхности образца, Вт/м 2 К,Ео = а 1/ - критерий Фурье;гУ(1) - величина линейного нагрева, К;35 д(т) - мощность ступенчатого тепловоговоздействия, Вт/м ,Дифференциальное уравнение (16) сграничными условиями (17).решалось с использованием двух современных аппаратов40 прикладной математики - интегральныхпреобразований Лапласа и вариационныхметодов, что позволило получить решениедовольно простого вида достаточной точности, удобного для использования в инже 45 нерной практике проектированиятеплофизических приборов,Величину д с учетом коэффициента поглощения материала образца можно определять до процесса измерения, используя50 высокостабильный источник мощноститеплового воздействия или непосредственно, например, с помощью того или иного измерителя мощности тепловогоизлучения (при этом погрешность измере 55 ния может быть довольно мала, около+ 0,5 о ) или используя дополнительныйэталонный образец.Размеры исследуемого образца, имеющего простую цилиндрическую формубез необходимости дополнительной обрад Т 22д 2 Т 2222 д т 22 22д 62и вторые производные температуры по времени для области действия импульсного теплового воздействия индекс 1) и его отсутствия в 2 точках (индексы 21, 22) соответственно, К/с, К/с;То - начальная температура образца, К; д - плотность мощности теплового импульсного воздействия, поглощаемого передней поверхностью образца, Вт/м .Формулы для расчета а, А образца получены из выражений, описывающих распределение температуры в бесконечнойпластине толщинойдля случая граничных условий 3-го рода при монотонном разогреве обеих ее поверхностей и периодическим импульсным тепловым воздействием на од-" ну из них, В этом случае дифференциальное уравнение теплопроводности пластины имеет вид; первые д 2 т 1 дт дХ 2 а дтботки, могут быть достаточно малы и определяются необходимостью прохождения в образцеодномерного теплового потока, который принимается таковым, если отношение диаметра образца к толщине не меньше 5, и быстродействием системы ре. гистрации переходного процесса, которая может составлять десятки микросекунд, При этом достигается большая скорость линейного нагрева и малое время измерения. Например, скорость линейного нагрева для образца из молибдена размерами диаметром 5 мм, толщиной 1 мм составляет 63 К/мин, что в 10 раз превышает скорость линейного нагрева по известн ому способу.Процесс измерения заключается в регистрации температуры в трех точках температурно-временной зависимости температурного превышения задней поверхности образца - одной для области импульсного теплового воздействия и двух при его отсутствии, для определения критерия Био.Критерий Био определяется по экспериментальной зависимости, На участке без им:ульсного теплового воздействия характер изменения температуры задней поверхности образца, ее скорость изменения, пропорциональна величине тепловых потерь, которые характеризуются критерием Био, Поэтому берутся две рабочие точки на заднем склоне кривой переходного процесса и по ним определяется критерий Био,На фиг.1 представлена функциональная схема устройства измерения ТФХ; на фиг.2 - зависимости изменения температурного превышения д Т = (Т-То), первой Ч= дТ/д Ро и второй Ч = Ф Тlд 6 ее производной от критерия Фурье; на фиг.З - фрагмент изменения температурного превышения задней поверхности образца из молибдена в процессе измерения его ТФХ в диапазоне температур от 300 до 1300 К,Данный способ может быть реализован с помощью устройства (фиг.1), содержащего лазер 1. формирователь импульсов на основе соленоида с задвижкой 2 и задатчик 3 длительности, образец 4, находящийся в измерительной ячейке 5, нагреваемой электрической печью б сопротивления по линейному закону с помощью термопары 7 и задатчика 8 температуры, термопару 9, измеряющую изменение температурного превышения на задней поверхности образца 4. Устройство содержит также операционный усилитель 10, усиленный сигнал с которого подается на микроЭВМ 11, сопря 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 женную с дисплеем 12 и цифропечатью 13, зеркало 14 и измеритель 15 энергии импульсного теплового воздействия,Способ осуществляют следующим образом.При включении задатчика 3 срабатывает задвижка 2, импульсное тепловое воздействие заданной длительности подается на переднюю поверхность образца 4 и одновременно запускаются эадатчик 8 температуры, нагревающий измерительную ячейку 5 по линейному закону, и микроЭ ВМ 11, начинающая отсчет времени и регистрацию температуры задней поверхности образца 4 с ее линеаризацией при помощи термопары 9 и усилителя 10 от момента подачи импульсного теплового воздействия на его переднюю поверхность. После прекращения действия импульсного теплового воздействия через некоторое время в образце 4 устанавливается регулярный тепловой режим 2-го рода, начало которого определяется постоянством значения первой производной,и равенством нулю второй производной изменения температуры от времени (фиг.2), При выполнении этихтребований с некоторой точностью микроЭВМ 11 выдает сигнал запуска на задатчик 3 и процесс повторяется снова, При этом микроЭВМ 11 регистрирует в своей памяти не всю совокупность значений температурно-временной зависимости температурного превышения, а лишь трех значений температур, первых и вторых их производных с соответствующими временами. Температурные точки выбираются довольно произвольно, хотя для определенности их можно определить для области импульсного теплового воздействия как температуру, соответствующую половине максимального значения температурного превышения, а для области отсутствия импульса как температуры, соответствующие 1/3 и 2/3 длительности этого превышения при отрицательной величине первой производной температуры по времени, т,е. на ниспадающем ее участке. Величина мощности импульсного теплового воздействия измеряется до и после всего цикла измерений в данном температурном диапазоне с помощью зеркала 14, устанавливаемого на время измерения этой энергии на оптической оси устройства и измерителя 15 тепловой мощности, соединенного с микроЭВМ 11, определяющей ее усредненное значение по нескольким измерениям,Формула изобретения Способ измерения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в1721491 10 д = А 1 Ч 22 - А 2 Ч 211 А 1 =. Т 21 То ЬТ 1213(С Ч 21 Й Ч 1 - Ч 21 дт 1, - дгт дт 1дт ературопроводность, льная теплоемкость, бразца соответствендж/кгК: м; кг/м; где а, Л ср, 1, р - темп теплопроводность, уде толщина и плотность о но, м /с вт/мК; 8+10 В+30206(д +с )- коитеРид Био: 4 2( одновременном нагреве образца по линейному закону и периодическими импульсами, измерении приращения его температуры во времени, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности и информативности прОцесса измерения теплофизических характеристик материалов, особенно при значительных тепловых потерях, нагревают периодическими импульсами переднюю поверхность образца и при измерении приращения температуры его задней поверхности во времени определяют величину критерия Био, выбирая рабочие точки на кривой переходного процесса произвольным образом, причем температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость определяют по математическим зависимостям 81(2+61)Т 1 -То) - М 11+ - (2 д ) 5 с =т (дг-д 1); А 2 = Тгг - То Ьт тгг;3 10Ч 1 Ч 21 - Ч Ч 21 Лт - , ; - скорость1 Ч 21 линейного повышения температуры (К/с);Т 1 Л 1, Т 21, 1, тгг, 122 - температура и 15 соответствующее ей время температурно- временной зависимости превышения температуры задней поверхности образца дляобласти действия теплового импульсноговоздействия (индекс 1) и его отсутствия в 20 двух точках (индексы 21, 22) соответственно(К, с). дТ 21, Ч д Т 2121 = д 1 21 =т 21д тгг д тггЧ 22 =д тггЧ 22 = - первые и вторые производные температуры по времени для области действия импульсного теплового воздействия (индекс 1) и его отсутствия в 2 точках (индексы 21; 22) соответственно, К/с, К/с;То - начальная температура образца, К;9 ПЛОТНОСТЬ МОЩНОСТИ ИМПУЛЬСНОГО теплового воздействия, поглощаемого передней поверхностью образца, Вт/м .1721491 24 оставитель Н.Грищенкехред М. Моргентал едактор Н.Рогулич рректор М,Шароши Заказ 948 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 и ГКНТ СССР оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагари