Способ определения коэффициентов температуропроводности материалов и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1776350 АЗ 5)5 6 01 й 2 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К ПАТЕ Н институт л и Л. А Глазков институт легие теплофизидом периодигоатомиздат,П. Учет влияии температуских волн. - астрономия,СС 98 6 д ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Киевский технологическикой промышленности(73) Киевский технологическикой промышленности(56) Филиппов Л. П. Измеренческих свойств веществ меточеского нагрева. М,. Энер1984, с, 46-47.Петрушин Г.34., Юрган Рния теплообмена при измеренропроводности методом плВестник МГУ, сер. Физика1971, т, 12, М 5, с, 613 - 614.Авторское свидетельствоМ 1293606, кл, 6 01 й 25(18,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование: для определения коэффициента температуропроводности низкотемпературопроводящих материалов, преимущественно листовых материалов и плоских изделий иэ полимерных матариалов. Сущность изобретения: устройство содержит низкочастотный генератор (1), усилитель (2) мощности, малоинерционный точечный нагреватель(3), термоизолированный оболочкой (5), термопреобразователь (6), усилитель (8) низкой частоты, отсчетный фазовращатель (9), фазочувствительный выпрямитель (10), удвоитель 14 частоты, установочный фазовращатель (12), индикатор (13). Между нагревателем (3) и термопреоб1776350 10 15 20 25 разователем (6) устанавливают образец материала (4), Термопреобразователь установлен с возможностью перемещения относительно материала. Нагрев образца материала 4 осуществляют нагревателем (3). Температурные волны в процессе распространения в материале 4 испытывают затухание и фазовую задержку. Сведения об этих изменениях получают с помощью термопреобразователя (6) в аиде переменного напряжения удвоенной частоты сначала в точке, соответствующей максимальному значению переменного напряжения, а затем еще по меньшей мере в 2-х точках, расположенных друг от друга на расстоянии, не превышающемтолщинуматериала, Переменное напряжение стермопреобразователя (6) каждый раз подвергают фазочувствительному выпрямлениюдо нулевого значения с использованием опорного напряжения, удвоенной частоты. При перемещении Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения коэффициентатемпературоп роводности низкотемпературопроводящих материалов, преимущественно листовых материалов (искусственнойкожи, резины, картона) и плоских изделийиз полимерных материалов,Известен способ измерения коэффициента температуропроводности материалов,основанный на возбуждении плоской температурной волны в исследуемом образце,моделируемой неограниченной пластиной,измерении отношения амплитуд гармонических изменений температурной волны вдвух изотермических плоскостях образца ииспользовании измеренного отношениядля определения коэффициента температуропроводности.Преимуществом этого способа являетсястрогое выполнение граничных условий, независимость результатов измерений от начального распределения температуры вобразце, возможность уменьшения илияния теплообмена исследуемого образца сокружающей средой простыми средствами,например большой частоты гармонического нагрева.Однако указанный способ обладаетнизкой точностью из-за ряда допущений,принимаемых для линеаризации уравнениягеплопроводности и краевых условий; Особые трудности возникают при измерениикоэффициента температуропроводности термопреобразователя относительно материала 4 выпрямленное напряжение изменяется по косинусоидальному закону,периодически проходя через нулевые значения, Для вычисления коэффициента температуропроводности материала подсчитывают количество нулевых значений в процессе перемещения термопреобразователя (6), измеряют компенсирующее изменение фазы переменного напряжения до получения ближайшего нулевого значения выпрямленного напряжения. Коэффициент температуропроводности вычисляют по формуле а=Г/8(1/(в+ Ьро/л 12, где Г - частота переменного напряжения, гп - количество нулевых значений выпрямленного напряжения в процессе перемещения,Ьрь- компенсирующее изменение фазы переменного напряжения,- расстояние между двумя точками, 2 с, и 1 з, и. ф-лы, 2 ил,тонких листовых и пленочных материалов, так как требуются весьма чувствительные и точные способы измерения температуры, Следует учитывать,что с уменьшением тол щины исследуемых материалов уменьшается разность температур его поверхностей, аследовательно, уменьшается и затуханиетемпературной волны. Известен способ измерения коэффициента температуропроводности, заключающийся в возбуждении переменной по частоте колебаний температурной волны в моделируемом неограниченной пластиной образце, измерении разности фаз колебаний температурной волны между двумя изотермическими поверхностями на двух частотах, определении коэффициента температуропроводности по формуле, являющейся результатом решения уравнения теплопроводности Фурье для гармонической составляющей температуры. В этом способе для исключения основной составляющей, обусловленной теплообменом с окружающей средой, определяют критерий Био иэ уравнения, связывающего его с разностью фаз колебаний температуры между двумя изотермическими поверхностями на двух частотах, отличающихся в два раза Недостаток указанного способа состоит30 в том, что выбор диапазона частот равным октаве не является оптимальным по достижимой точности для широкого диапазона значений коэффициента температуропроводности, При исследовании материалов снизкой температуропроводностью выбранный диапазон является слишком широким, поскольку на верхней частоте, определяемой условием исключения теплообмена, резко уменьшается амплитуда колебаний температуры, Это обстоятельство требует применения более чувствительных, но менее точных средств измерения фазы, а на нижней частоте тепловые потери становятся весьма существенными,Известен способ измерения коэффициента температуропроводности материалов и устройство для его определения, основанный на возбуждении температурной волны в образце, моделируемом в плоской неограниченной пластине, измерении амплитуд температурной волны, регулировании температурной волны до установления ее длины, кратной толщине образца, и определении коэффициента температуропроводности а по соотношению,ггопгде д - толщина образца;Р - частота температурной волны, о=1, 2, 3 - одно из чисел натурального ряда чисел,Устройство для измерения коэффициента температуропроводности материалов согласно данному изобретению содержит первый генеоатор низкой частоты, соединенный с управляемым источником питания, выход которого соединен с плоским нагревателем, установленным на одной стороне контролируемого образца, термопреобразователь, установленный на другой стороне образца и соединенный с усилителем. индикатор, фазочувствительный выпрямитель, удвоитель частоты, измеритель отношения частот, второй низкочастотный генератор, второй цифровой индикатор, при этом первый вход фазочувствительного выпрямителя соединен с выходом усилителя, а выход соединен с первым индикатором, удвоитель частоты выходом соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, вход удвоители частоты соединен с первым генератором, первый вход измерителя отношения частот соединен с выходом удвоителя частоты, а второй вход его соединен с вторым низкочастотным генератором, второй цифровой индикатор соединен с выходом измерителя отношения частот,Однако известному способу и устройству присущи определенные недостатки, Так, основу способа составляет регулирование и измерение частоты температурной волны 35 до достижения равенства длины волны вматериале его толщины, что индицируетсяпо ослаблению амплитуды волны в заданное число раз (в 535), Однако по амплитудепеременной составляющей температуры на40 ненагреваемой поверхности образца невозможно точно зафиксировать укаэанное ослабление, так как амплитуда выходногосигнала непостоянна и определяется нетолько температуроп роводностью исследу 45 емого материала, но и уровнем мощности,подводимой к нагревателю, значением коэффициента усиления усилителя, чувствительностью термопреобразователя,которые изменяются во времени и в зависи 50 мости от параметров окружающей среды,Кроме того, в процессе изменения частоты из-за тепловой инерции нагревателя итермопреобразователя, наличия электрических задержек в электронных преобразова 55 тельных звеньях (удвоителе частоты,усилителе и т,п.) возникают неконтролируемые фазовые сдвиги в цепях измерительногои опорного напряжений, которые изменяютизмеряемое напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя. И, наконец, в процессе регулирования частоты напряжениегенератора низкой частоты не остается постоянным, что также вызывает погрешность вфиксировании данного ослабления темпе 5 ратурной волны.Целью изобретения является повышение точности определения температуропроводности исследуемого материала,Поставленная цель достигается тем, что в10 известном способе определения коэффициента температуропроводности, заключающемся в воздействии на образец материалатепловых импульсов, создающих радиальныетемпературные волны в материале, получают15 информацию о температурных измененияхна противоположной стороне образца в видепеременного напряжения удвоенной часто. ты, производят фазочувствительное выпрямление переменного напряжения с20 использованием опорного напряжения удвоенной частоты и вычисляют коэффициенттемпературопроводности по формуле. При этомдополнительно предусмотрено, что информацию о температурных изменениях на проти 25 воположной стороне образца получаютсначала в точке, соответствующей максимальному значению переменного напряжения, а затем еще не менее чем в двух точках,расположенных друг от друга на расстоянии.30 не превышающем толщину материала, подсчитывают количество "нулевых" значенийвыпрямленного напряжения, компенсируют фазу переменного напряжения до пол"учения ближайшего нулевог.; значениявыпрямленного напряжения и вычисляют коэффициент температуропроводности по формулеРВа +-.тлгде Г - частота переменного напряжения;пт - количество нулевых значений выпрямленного напряжения в процессе пере мещения термопреобразователя;Ьро - компенсирующее изменениефазы переменного напряжения.Поставленная цель достигается также тем, что известное устройство для опреде ления коэффициента температуропроводности, содержащее малоинерционный нагреватель, установленный с одной стороны образца материала и подключенный через усилитель мощности к низкочастотному 20 генератору, и термопреобразователь, установленный с другой стороны образца материала и последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, причем 25 второй управляющий вход фазочувствительного выпрямителя через фаэовращатель и удвоитель частоты соединен с низкочастотным генератором, дополнительно содержит второй Фазовращатель, 30 выход которого соединен с первым сигнальным входом фазочувствительного выпрямителя, а вход - с выходом усилителя низкой частоты, при этом термопреобразователь установлен с воэможностью перемещения 35 относительно образца материала. Согласно изобретению предусмотрено закрепление термопреобразавателя на каретке, установленной на микрометрическом винте,Именно заявляемые операции по пол учению информации о температурных изменениях на ненагреваемой стороне образца материала в нескольких точках, чта достигается путем перемещения термопреобраэователя, подсчет количества нулевых 45 значений выпрямленного напряжения, компенсация фаз переменного напряжения до получения ближайшего нулевого значения выпрямленного напряжения с помощью второго фазовращателя, в совокупности с. 50 известными признаками обеспечивают достижение цели изобретения. А также позволяют сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым иэобретэтельским замыслом; 55На фиг. 1 изображена картина распространения температурных волн в исследуемом образце материала ат точечного нагревателя; на фиг, 2 - Функциональная схема устройства для определения коэффициента температуропроворнасти материалов.Сущность способа заключается в следующем.Нагрев образца исследуемого материала (фиг. 1) осуществляют мэлоинерционным нагревателем А, на который воздействует переменное напряжение 0., частоты в При этом в образце исследуемого материала распространяются радиальные температурные волны с удвоенным значением частоты переменного тока /2 а /, Эти волны в процессе распространения испытывают затухание и фазовую задержку в зависимости. от расстояния между источником А и приемником В температурных волн, В отсутствие переменной составляющей тепло- обмена с окружающей средой распределение амплитуды и фазы переменной составляющей температуры 0 вдоль оси координат Х, расположенной вдоль радиуса к источнику излучения А, описывается выражением=Вехр( -х)СМ(Ьи -х), (1)а агде Оо - амплитуда переменной составляющей температуры на нагревэемой поверх- насти (х=О);щ- круговая частота переменного тока; э - коэффициент температуропроводности материала.Длина температурной волны в материале определяется выражением. = 21 т/в .аи в общем случае может быть значительно меньше толщины д исследуемого материала /д:Ч /.Температурные волны, прошедшие материал, преобразуются малоинерционным приемным термопреобразователем В в электрическое переменное напряжение соответствующей амплитуды и фазы, Это напряжение используют как измерительное Оизм, которое подвергают фазочувствительному выпрямлению с использованием опорного напряжения Оопор. Последнее формируют иэ переменного напряжения О, , нагревающего излучатель А, путем удвоения его частоты,Для определения температуроправодности образца перемещают приемный термопреобраэователь В по ненагреваемой поверхности материала до достижения положения Вт, соответствующего максимальному значению переменного напряжения.Очевидно это положение соответствует минимальному расстоянию между излучате177 б 350 10 45 лем А и приемником В 1, которое равно толщине д исследуемого материала,Измерительное напряжение для этого положения можно предстэвить в виде Оз = БВпехр( - Щд)сов(2 ш+ /шд .а а+2 а(х 1 + хг) + Ь/)1, (3) где Я - крутизна преобразования темпера туры в напряжение;х 1 и хг. - тепловые постоянные времени соответственно излучателя и приемника темперэтурных волн;Ьр 1 - дополнительный фазовый сдвиг от электрических задержек в цепи измерительного напряжения,В ып рямл ен ное нап ряжение, полученное с использованием опорного напряжения, описывается выражением20Оз = БВпехр( -/вд)сов(/шд+а, а+ 2 в(х 1 + хг) + Ь 11 - Д 0 г, (4)25 где Ь)г - . дополнительный фазовый сдвиг от задержки в цепи опорного напряжения.Если толщина обрээца больше длины температурной волны /д 1 /, то разность фаз измерительного и опорного напряжений больше 2 л (360), Поэтому выпрямленное напряжение в общем случае можно представить в виде Оз = 95 ехр( - (шд)сов(п + Р), (Б)агде и - целое число фазовых полуциклов в л/180 О/;Р - дробная часть последнего фазового полуцикла.Регулируют фазу опорного напряжения до получения нулевого значения выпрямленного напряжения Оп = ЯВпехр( - /шд)сов(/шд + а а=ЯВпехр( - х - д)сов(по+2) =О, (6) БО где Ьрз - компенсирующий фазовый сдвиг в цепи опорного напряжения,Плавно перемещают приемный термопреобразователь В по ненагреваемой поверхности образца до получения следующего нулевого значения выпрямленного напряжения (Вг) Ов щ ЯВоехр( - /отд 1).пп йод 1 иа а= ЯВоехр( - Яд 1)сов(по +2зх) . 7)а При перемещении приемного термопреобразователя из положения 81 в положение Вг нэ расстояние 11 температурная волна от излучателя А до приемника Вг проходить путь При дальнейшем перемещении приемного термопреобрвзователя выпрямленное напряжение изменяется по косинусоидальному закону, периодически проходя через нулевые значения. При перемещении на измеренное расстояние 1 г/1 з/ и подсчете количества нулевых значений выпрямленное напряжение принимает вид Ов = БВ,ехр( - /шс)сов(шдз + + 2 а(х 1 + хг) + ЬО 1 - Дй + АРМ == БВ,ехр( - щдз)сов(пзх + 2 + пшр 1), 9) а где п 1 - число нулей, полученных при плавном перемещении приемного термопреобразователя от начального нуля (В 1) до достижения фиксированного расстояния 1 г/Вг/ до достижения фиксированного расстояния 1 г/Вз/:Р 1 - дробная часть последнего фазового полуцикла.Регулируют фазу измерительного напряжения до получения ближайшего нулевого значения выпрямленного напряжения Ох = ЯВпехр( - БЗз)сов/идз и.а ча= ЯВпехр( -/шЪ)сов(пл2 и пох)-0, 10) а где Ь 04 - компенсирующий фэзовьй сдвигв цепи измерительного напряжения,Уравнения (б) и (10) предстазим в виде сов/шЗ+ 2 ш(х + хе) х двп - дспдоз)- а(17 соьфА + 1031 +Т 2) + ЬР - дРР 2Ьрз+ Ьр 4 =сов(пи ПИ) =О, (12) Вычитая из уравнения (12) уравнение(11), получим вд - д) = влЬв, (13)аПо аналогии с выражением (8) имеем Подставляя значение дг из (14) в выражение (13), получим что при бета) . иэмеряение приемного термопреобачительно меньше толщины 1 - 0,8) д, можно принять, что , 1+г/4 д . Тогда выражение ончательный вид где Ьр 4 - компенсирующий фазовый сдвиг, выраженный в радианах.Из выражения (1 6) определяют коэффициент температуропроводности материала гр а - м /с 8(ел+ ЬрсУгде 1 о=г и Ьоо = Ьр 1 - измеряемое перемещение и компенсирующий Фазовый сдвиг;Г= в/2 л - частота переменного напряжения.Частоту переменного напряжения Е следует выбирать из условия пренебрежения гармонической составляющей теплообмена, т,е, когда критерий Био В =-.г - ;В -- ду;р 1, (18)а агде а - коэффициент теплообмена,В - коэффициент тепловой активности.При выбранном значении частоты Е из соотношения (18) коэффициент температуропроводности й целесообразно определять по измеренным значениям перемещения 1 О и компенсирующему фазовому сдвигу Ар,а =ф + .7 - ), м /с. (19) Г 1 5 Полученное выражение не зависит отсоотношения длины температурной волныи толщины д исследуемого материала, а следовательно, от числа и, т.е, целого числа фазовых полуциклов (температурных пол уволн), которое не измеряется существующими фазочувствительными схемами.Например, коэффициент температуропроводности образца пенополиуретана толщиной 10 мм определяется следующим 15 образом. Задаваясь коэффициентом Био Виз выражения (18), находят частоту переменного напряжения (Г=З Гц), Задавая перемещение 10=2 мм, которое измеряется с помощью многооборотного потенциомет рического датчика линейных перемещений,измеряют количество нулей в процессе плавного перемещения п=1 и дробную часть последнего, фазового цикла ЬЪ=2,8984614, Коэффициент температу ропроводности пенополиуретана по формуле (19) Устроиство для определения коэффициента температуропроводности материалов содержит последовательно соединенные генератор 1 электрических колебаний низких частот, усилитель мощности 2 и малоинерционный точечный нагреватель 3, установленный на поверхности исследуемого образца 4 и термоизолированный оболочкой 5. На противоположной ненагреваемой поверхности образца размещены приемный малоинерционный термопреобразователь 6, к выходу которого через гибкий кабель 7 под ключены последовательно соединенные усилитель 8 низкой частоты, отсчетный Фазовращатель 9 и фазовращательнцй выпрямитель 10. Управляющий вход фазочувствительного выпрямителя соединен с генератором 1 через удвоитель 11 частоты и установочный фазовращатель 12, К выходу фазочувствительного выпрямителя подкл очен индикатор 13,Приемный термопреобразователь 6 закреплен на подвижной каретке 14, перемещающейся с помощью микрометрического винта 15, Для измерения величины перемещения термопреобразователя 6 устройство снабжено измерителем 16, связанным с микрометрическим винтом 15.14 1776350 13 10 15 20 25 30 40 45 50 55 Усгройство работает следующим образом.Переменное напряжение выбранной частоты Г с генератора 1 через усилитель мощности 2 поступает на малоинерционный точечный нагреватель 3, экранированный термоизолирующей оболочкой 5. Мощность нагревателя 3 пульсирует с частотой, равной удвоенному значению частоты генератора 1 (2 Г), и возбуждает в исследуемом образце 4 радиальные температурные волны, Приемный малоинерционный термопреобразователь 6 преобразует температуру ненагреваемой поверхности образца 4 в электрическое напряжение, переменная составляющая которого изменяется с частотой принимаемой температурной волны. Усилитель 8 низкой частоты, подключенный через гибкий кабель 7 к приемному термопреобразователю 6, усиливает переменное напряжение, которое через отсчетный фазовращэтель 9 поступает на сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя 10. Н а опорный вход фазочувствител ьного выпрямителя 10 поступает напряжение генератора 1 через удвоитель 11 частоты и установочный фазовращатель 12. Показания индикатора 13 пропорциональны выпрямленному значению переменного напряжения с учетом фазовых соотношений измеренного и опорного напряжений, Вначале приемный термопреобразователь 6, закрепленный на каретке 14, вращением микрометрического винта 15 устанавливают противоположно нагревателю 3 по максимальному отклонению индикатора 13, после чего с помощью установочного фазовращателя 12 добиваются нулевого показания индикатора 13, Далее термопреобразователь 6 плавно перемещают вдоль ненагреваемой поверхности образца на расстояние 10=(0,1-0,2)/д, которое соответствует ближайшей оцифрованной отметке измерителя линейных перемещений 16.С помощью отсчетного фэзовращателя 9 вновь добиваются нулевого показания индикатора 13. По установленному перемещению 1 О термопреобразователя 6 и значению компенсирующего фазового сдвига Ьро фэзоврэщателя 9 определяют по формуле коэффициент тем пературоп роводности исследуемого материала. Предлагаемый способ измерения коэффициента температуропроводности материалов и реализующее его устройство обеспечивают повышение точности за счет нулевой индикации амплитудного и фазовых соотношений сигналов, харэкгериэующих затухание и фазовую задержку температурной волны. Г 1 ри этом исключается влияние неконгрпл.- руемых фазовых сдвигов в цепях измери. тельного и опорного напряжений содержащих инерционнье преобрэзовэ тельные звенья, за счет пос 1 оянсгва часто ты сравниваемых сигналов. Возникающая неоднозначность фазовых измерений при выборе достаточно высокой частоты температуропроводной волны, удовлетворяющей критерию Био, устраняется изменением па. раметров измерительного сигнала при различном значении длины пути, проходимого радиальной температурной волной. По сравнению с прототипом снято ограничение по условию равенства длины тем пературной волны толщине образца, что не всегда удовлетворяет критерию Био. Формула изобретения 1. Способ определения коэффициента температуропроводности материалов, заключающийся в том, что на образец материала воздействуют тепловыми импульсами, создающими радиальные температурные волны в материале, которые возникают при питании малоинерционного нагревателя переменным напряжением заданной частоты, получают информацию о температурных изменениях нэ противоположной стороне образца в виде переменного напряжения удвоенной частоты, осуществляют фазочувствительное выпрямление переменного напряжения с использованием опорного напряжения удвоенной частоты и вычисля- ют коэффициент температуропроводности по формуле, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, информацию о температурных изменениях на противоположной стороне образца получают сначала в точке, соответствующей максимальному значению переменного напряжения, а затем еще по меньшей мере в двух точках, расположенных одна от другой на расстоянии, не превышающем толщину материала, при этом подсчитывают количество нулевых значений выпрямленного напряжения, компенсируют фазу переменного напряжения до получения ближайшего нулевого значения выпрямленного напряжения, а коэффициент температуропроводности вычисляют по формуле где Г - частота переменного напряжения;а - количество нулевых значений выпрямленного напряжения в процессе перемещения термопреобразовэтеля:1776350 Фог 2 Составитель А,ХимичеваТехред М,Моргентал кто р В,Петраш Заказ 4051 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Про ЬуЪ - компенсирующее изменение фазы переменного напряжения;1 - расстояние между двумя точками.2. Устройство для определения коэффициента температуропроводности материалов, содержащее малоинерционный нагреватель, установленный с одной стороны образца материала и подключенный через усилитель мощности к низкочастотному генератору, и термопреобразователь, установленный с другой стороны образца материала, и последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, при этом фазочувствительный выпрямитель через второй управляющий вход подключен посредством фазовращателя и удвоителя частоты к низкочастотному генератору, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно дополнительно 5 снабжено вторым фазовращателем, выходкоторого соединен с первым сигнальным входом фазочувствительного вып рямителя, а вход - с выходом усилителя низкой частоты, при этом термопреобразователь уста новлен с возможностью перемещенияотносительно материала,3. Устройство по и, 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что термопреобразователь закреплен на каретке, установленной на микромет рическом винте.