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

(51) С 01 И 25/ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТОРСКОМУ дуемого образфизические харют по формула а, а искомые теплоактеристики вычисля 2 аТ2емкость ис ъемная те Воднос ЬТ Ь( Ь,С 2 1 1 лофиз ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПОДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(72) Т. Г. Грищенко, О.А. Геращенко, Л.В. Декуша и Н.А. Синцов С (71) Институт технической теплофизики АН Украинской ССР(56) 1Авторское свидетельство СССР В 100931, кл. С 01 М 25/20, 1953.2. Авторское свидетельство СССР. В 817563, кл. С 01 Я 25/18, 1979 (прототип).3. Пахомов В.Н, и др. Теплометрические приборы для комплексного определения теплофизических характеристик лабильных материалов- "Промышленная теплотехника", 1981, т. 3, У 1, с. 96-102 (прототип).(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.(57) 1. Способ определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов в кваэистационарном режиме, включающий измерение плотностей теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца, и температур этих поверхностей, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения погрешности определеийя объемной теплоемкости и коэффициента температуропроводности, дополнительно измеряют изменения плотностей теплового потока по толщине образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхностями исслеследуемого образца, равнаяпроизведению массовой теплоемкости С и плотности/3 . - коэффициент температуропроводности;- коэффициент теплопроти;- перепад температур междупротивоположными рабочимиповерхностями образца; - плотности теплового потокпроходящего через противоположные рабочие поверхноти исследуемого обраэца - изменения плотности теплового потока, происходящиепо толщине образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами,контактирующих с рабочимиповерхностями исследуемого образца;- константы, учитывающие известные теплофиэическиесвойства образцов сравнения 1 толщина исследуемого образца.тройство для определенияских характеристик плоских30 где Ч Ч 2 3 1165 четырех образцов, что приводит к неодинаковой плотности теплового потока через средние образцы и неравенству нулю тепловых потоков через крайние образцы. 5Наибольший вклад в общую погрешность вносит определение скорости изменения температуры.Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ 1 О определения ТФХ материалов на одном плоском образце, основанный на измерении в квазистационарном режиме плотности теплового потока, температуры и последующем определении ско рости изменения температуры и заключающийся в том, что тепловой поток пропускают через исследуемый образец. в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям, нагревая обра ;зец при условии постоянной разности температур между его поверхностями 21 .Искомые ТФХ определяют по следую- щим формулам: 25 плотности теплового потока на двух противопо ложных рабочих поверхностях образца, при этом индекс "1" относится к "горячей" поверхности; 40 перепад температур между поверхностями образца;скорость изменения тем-. пературы 1 . 45 константа устройства, реализующего известный способ, учитывающая термическое сопротивление в месте заделки 50 спаев термопар;вторая константа устройства, учитывающая собственную теплоемкость тепломеров, ис пользуемых для измерения плотности теплового потока. 957 4Недостатком способа является большая погрешность определения ско. рости изменения температуры образца в квазистационарном тепловом режиме, Например, при скорости изменения температуры 60 К/ч, интервал отсчета в одну минуту и при условии измерения температур с погрешностью не хуже О, 1 К погрешность определения указанной скорости изменения температур может в отдельных случаях достичь 14 Ж. Эта погрешность имеет тенденцию возрастать из-за пульсаций температуры и некорректной регистрации их изменений во времени. Погрешность определения скорости разогрева можно значительно уменьшить, если опыты вести при больших (не менее 100 К/ч) скоростях разогрева образца. Однако при этом происходит сужение диапазо" на температур, в котором возможно проведение измерений в квазистационарном режиме, а получаемые результаты приходится осреднять по большему перепаду температур, что также. приводит к увеличению погрешности определения ТФХ.Наиболее близким к изобретению техническим решением является уст" ройство, содержащее два плоскихтепломера, установленных на обращенных друг к другу поверхностях блоков программированного изменения температуры с постоянной скоростью, и систему термопар, вмонтированных в поверхности тепломеров, контактиру. ющие с рабочими поверхностями исследуемого образца, помещаемого во время эксперимента между тепломерами, Термопары предназначены для изменения температур рабочих поверхностей образца Т 1 и Т, и определения по их показаниям разности температур ДТ "- =Т 1.-Т 2, температуры отнесения Тц, полученных результатов при определении ТФКатй (1+ 12) (11 г) (4)1 1 Ч-%г,2 5:1, фиг и скорости температуры Я .Недостатками устройства являются большая погрешность определения теплоемкости (порядка 5-77), температуропроводности (порядка 10-127) и теплопроводности (8-102) из-за погрешностей, возникающих при определении плотности теплового потока1165957 и температуры вследствие необходимости непрерывно корректировать коэффициенты преобразования тепломеров и термопар с изменением их собствен- ных температур во время опыта. Это 3 значительно усложняет обработку экспериментальных данных для получения корректных результатов по определяемым величинам ТФХ.Кроме того, при определении теп лоемкости необходимо учитывать изменение величины константы устройства в зависимости от изменения температуры.Цель изобретения - снижение по грешности определения объемной теплоемкости и температуропроводности плоских образцов, исследуемых материалов в квазистационарном тепловом режиме. 26Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических характеристик плоских образцов в материалах в , квазистационарном режиме, включаю щему измерение плотностей теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца, и температур этих поверхностей, дополнительно )р измеряют изменения плотностей теплового потока по толщине образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхностями исследуемого образца, а искомые ТФХ исследуемого образца вычисляют по формулам:для объемной теплоемкости дпя коэффициента температуропроводности, учитывая соотношение для коэффициента теплопроводности используя формулу (1)=," ),где Ь - толщина образцая 1 и Ч 2 - плотности теплового потока, 5проходящего через противоположные рабочие поверхностиисследуемого образца; й,ио - изменения плотностей теплового потока, происходящиев образцах сравнения с известными теплофизическимисвойствами, контактирующих,с рабочими поверхностямиисследуемого образца;ЬТ - перепад температур междупротивоположными рабочимиповерхностями исследуемогообразца; Суй в констан, учитывающие известные ТФХ образцов сравнения.Устройство для определения ТФХплоских образцов, содержащее двасоосно и последовательно расположенных блока программированного изменения температуры, например нагревателя, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностяхустановлен тепломер с датчиком температуры поверхности тепломера, контактирующей с исследуемым образцом,дополнительно введены тепломеры,идентичные по теплофизическим свойствам и геометрическим параметрамимеющимся тепломерам с датчикамитемпературы и расположенные междублоками программированного изменениятемпературы и соответствующими тепломерами с датчиками температуры.При этом для каждой пары контактирующих между собой тепломеров эффективная теплоемкость слоя, заключенного между серединными сечениямидополнительно введенного тепломераи имеющегося тепломера с датчикомтемпературы, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективная теплоемкость слоя, заключенного между серединным сечениемимеющегося тепломера с датчикомтемпературы и его поверхностью,контактирующей с рабочей поверхнос-тью исследуемого образца,На фиг. 1 представлен график распределения плотности тепловых потоков и температур; на фиг. 2 - схема размещения блоков программирОванного изменения температуры и тепломеров в устройстве.Устройство содержит тепломеры 1 и 2 с датчиками температуры, дополнительные тепломеры 3 и 4, дат-. чики 5 и 6 температуры, блоки 7 и 8=С 40 35 плотности теплового потока,измеренные тепломерами соответственно 1=1,2,3,4; 40 с р Ь, где с- объемнаятеплоемкость исследуемогообразца, Ь - его толщина; - коэффициент, учитывающийсуммарную эффективную тепло емкость слоев, прилегающихк рабочим поверхностям исследуемого образца и расположенных между серединнымисечениями тепломеров 1 и 2 50и поверхностями этих тепло- .меров, контактирующими сисследуемым образцом, т.е.между сечениями В, С и сечениями В С,; 55 где Ч С иС- коэффициенты, учитывающиесуммарную эффективную теп 7 11659программированного изменения тем= ,пературы, например электронагревателя, работающие по заданной программе, образец 9 исследуемый.В основу способа заложена и.",зестная закономерность, заключающаясяв том, что при наступлении регулярного теплового режима 2-го рода дляпластины (либо системы пластин, находящихся между собой в тепловом 10 .контакте) температура в любой точке блока является линейной функцией времени, а распределение температуры по толщине пластины (либо потолщинам каждой пластины в системе) 15описывается законом параболы. Приэтом имеет место постоянство скорости изменения температуры во времении в любом сечении. Характер распределения плотности теплового потока 20и температур во времени показан нафиг. 1.Способ реализуется наиболее эффективно, если в качестве плоскихобразцов сравнения с известными теплофизическими свойствами использовать тепломеры типа "вспомогательной стенки". Исходя из этой посылкии закона сохранения энергии для систем плоских тел, представленной на З 0фиг. 2, можно записать следующие уравнения: 57 8лоемкость слоев, заключенных между серединными сечениями контактирующих междусобой тепломеров: соответственно тепломеров 1 и 3(между сечениями А и В) итепломеров 2 и 4 (меяду сечениями А и В);0 - скорость изменения температуры, равная йТй 2, гдеТ - текущее значение температуры для момента времелни о,Решая систему уравнений (7), получим: где ЬЧ =Ч, -ЧиИ =Ч 2 Ч 4., При обозначений коэффициентов С=С и С 1 -С =С, формула (8) преобразуется в рабочую формулу (5). Эти коэффициенты учитывают по существу балластные теплоемкости, которые можно определять в градуировочных опытах с образцовыми мерами иэ эталонных веществ.Для вычисления коэффициента теплопроводности используем известную формулу (1), а для коэффициента температуропроводности рабочая формула получается из (5) с .Учетом известного соотношения (3).Иэ анализа формул (5) и (6) видно, что для определения теплоемкости не требуется определять скорость изменения температуры, что является главным достоинством предлагаемого способа.Устройство работает следующим образом.Оно (фиг. 2) содержит тепломеры 1-4, датчики 5 и 6 температурыповерхностей тепломеров 1 и 2 и бло. ки 7 и 8 программированного изменения температуры исследуемого образца 9, расположенные одни относительно другого последовательно и соосно, Блоки 7 и 8 обеспечивают нагрев образца с заданной постоянной скоростью. Тепломеры, находящиеся попарно в механическом и тепловом контакте (1 и 3,2 и 4), установлены на обращенных друг к другу поверхностях блоков программированного изменения температуры, соответственно тепломеры 1 и 3 - на блоке 7 и теп16595 30 9ломеры 2 и 4 - на блоке 8. На поверхностях тепломеров 1 и 2, приводимых во время опытов в тепловой контакт с рабочими поверхностями исследуемого образца 9, размещены 5 датчики 5 и 6 температуры, предназначенные для определения температуры соответствующей рабочей поверхности образца 9. Все тепломеры выполняются идентичными по теплофизи О ческим свойствам и конструктивным параметрам (например, площади поверхности тепломеров одинаковые, коэффициенты преобразования теплового потока в электрический сигнал 15 тоже одинаковы, что упрощает измерительную схему устройства, теплофизические характеристики в рабочем диапазоне температур у тепломеров одинаковые). 20Тепломеры выполнены таким образом, чтобы суммарные эффективные тепло- емкости элементов тепломеров, расположенных между серединными сечениями контактирующих между собой тепло мЬров, и слоев, расположенных между серединными сечениями тепломеров, контактирующих с исследуемым .образцом 9 (т.е. тепломеров 1 и 2 . с датчиками 5 и 6 температуры) и поверхностями, контактирующими с образцом, имели одинаковые зависимости от температуры, Это обеспечивает независимость отношения - входящего в формулы (5) и (6), 35 С2от температуры.Применение в устройстве тепломеров, выполненных с одинаковыми чувствительностями к тепловому по 10току, позволяет в .измерительной схеме устройства использовать дифференциальное соединение тепломеров.После выравнивания скоростей изменения температуры в обоих блоках (о чем судят по установившемуся значению разности температур рабочих поверхностей образца 9, измеряемых с помощью датчиков 5 и 6 температуры или по установившемуся значению плотности теплового потока, измеряемому тепломерами 1-4), произво" дят обработку экспериментальных данных, т.е. показаний упомянутых тепломеров и датчиков температуры.Уменьшение погрешности измере" ний в способе определения теплоемкости достигается за счет погрешности, связанной с необходимостью определения скорости изменения температуры.Использование высокоточной регистрирующей аппаратуры для измерения электрических сигналов привносит погрешность не более 0,5%. Погрешность определения констант устройства зависит от погрешностей используемых образцовых мер, которые не превышают по теплоемкости 0,27, по теплопроводности 3%, так как предельную погрешность определения теплоемкости можно оценить в 3,57., температуропроводности - 67 Кроме того, возможно определение ТФХ в широком температурном диапа в , зоне. Время проведения опыта по измерению комплекса ТФХ в диапазоне температур 100-500 К составляет в зависимости от выбранной скорости измерения температуры от 2 до 8 ч.1165957 иг. Составитель В. Гусеваатрушева Техред И.Гергель Корректор Л. П актор С пенк ПадписГСР 4 лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная э 4302/36 ВНИИПИ по 113035, Тираж 897осударственного комитета ам изобретений и открытии сква, Ж, Раушская наб