Спосіб вимірювання теплофізичних характеристик матеріалів

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предказнзчено 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 G подают на переднюю поверхность плоского адиабатического образца, в котором распространяется вследствие этого одномерный тепловой поток, и регистрируют изменение температуры его задней поверхности на экране осциллографа. Тем пеоатуро проводи ость, для исследования теплофизических характеристик. Способ заключается в одновременном нагреве образца по пинейьому 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 Ьио 3 ил. теплоемкость и теплопроводность образца рассчитывают по формулам = 0,13912/п/2 0) (2) A«aG/(ITm) (3) где а, Ср, Л - температуропроводность, удельная теплоемкость и теплопроводность образца, соответственно м2/с, Дж/(кг К), Вт/(м-К); • ^ т 1721491 емкости образца, а теплопроводность и температуропроводность необходимо измерять другими методами Кроме того, этот способ почти полностью исключает возможность достоверного измерения теплоемкости термодеструктивного материала вследствие осаждения продуктов термодеструкции на внутренней поверхности оболочки и резком изменении при этом коэффициента теплопередачи и, следовательно, поправки^ Изменение по этой же причине теплового сопротивления между малоинерционным импульсным нагревателем и образцам приводит также к большим непредсказуемым ошибкам и в определении величины мощности импульсного воздействия и паразитной теплоемкости нагревателя итеомопары Целью изобретения яепяется пивышение производительности и информативности процесса измерения ТФХ материалов особенно при значительных тепловых потерях, например их термодеструкции. Поставленная цель достигается тем, что соглэно способу, заключающемуся в одновременном нагреве образца по линейному закону и периодическими импульсами и измерении приращения его 30 температуры во времени, нагревают пере- х днюю поверхность плоского образца проdT стой формы, возбуждая в нем dt распространение одномерного теплового потока. По изменению приращения темпе(1 + ол + Ob ) , (4) 35 ратуры его задней поверхности во времени опоеделяют величину критерия Био, где m - масса образца, кг; характеризующего тепловые потери с поP - мощность теплового импульса, Вт; верхности образца, з температуропровод( dT ч , dT v ность, теплопроводность и теплоемкость (~-т— )р , (—т— )о - скорости изменения температуры на прямолинейных участ- 40 вычисляют согласно выражениям: ках температурной зависимости при действии теплового импульса на образец и (5) а = -V21 без него, соответственно, К/с, а^ - поправка на изменение условий теплообмена, (6) Б, (2 ос - поправка на температурную зависимость теплоемкости образца; оь ~ поправка нэ изменение линейной скорости роста температуры оболочки за 50 47) время измерения при переходе от прямолинейного участка температурной зависимости при действии теплового импульса на (8) N= образец и без него. Br -MOBi +30 Недостатками известного способа яв- 55 ляется низкая производительность и малая информативность процесса измерения теплоемкости материалов. био R 7 (d+с ) Одним из факторов низкой производительности является измерение лишь тепло р, І - плотность и толщина образца, соответственно кг/м , м; ti/2 - время достижения изменения температуры задней поверхности образца половины своего максимального значе- 5 ния, с; G - энергия теплового импульса, поглощенная передней поверхностью образца, Дж/м ; Тгп - величина максимапьного изменения температуры задней поверхности об- 10 разца, К; Недостатками данного способа являются низкая производительнсоть измерений, ограничение на длительность теплового импульса, отсутствие учета тепловых потерь с 15 поверхности образца Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, заключающийся в периодическом импульсном нагреве известной мощностью образца, находящегося 20 внутри массивной металлической оболочки, температура которой вместе с образцом монотонно изменяется. При этом измеряют приращение температуры и из рассмотрения уравнения теплового баланса при дей- 25 сть и на него теплового импульса и без него определяют только теплоемкость согласно выражению 1721491 • 11 я d = A1V22 + A2V21; С=ДТ*(А?-Аі); Ai =T21 - T o - A T t21 I 00) A2 = T22 - To - Л T t22; AT' -a(T-Y(t)); ах Vi V21 ~ Vi V21 -; (11) - скороVi -V21 сть линейного нагрева образца. К/с; Ті, t i ; Т21Д21; t2i: T22, t22 -температура и соответствующее ей воемя темпердтурно-временной зависимости приращения температуры задней поверхности образца 15 для области действия импульсного теплового воздействия (индекс 1} и его отсутствия s 2 точках (индексы 2 1 , 22) соответственно. К, с; 20 w. _ ЗТі . .-, _ (Г Ті . в начальных условиях (15) Т(х, о) = То или в относительных координатах д\ сг Т 2 н (16) -ВіТ = -(B|Y+Re)=Yi(F0): -TF + В|Т = B,Y =Y 2 (Fo). (17) где 4 Х/1 - относительная координата, на 25 передней поверхности £ = 0 на задней поV21 = V21 = верхности £=^ 1; dxh X -текущая координата по толщине образца, м; 5T22 R = J/ А - тепловое сопротивление оЬV22 = v22 первые 30 разца, M K/BT; а - тепловые потери с. поверхности оби вторые производные температуры по вреразцз, Вт/м К, мени для области действия импульсного Fo = at/I 2 - критерий Фурье; теплового воздействия (индекс 1) и его отY(t) - величина линейного нагрепа. К; сутствия в 2 точках (индексы 21, 22) соответ35 д(*)~~ мощность ступенчатого теплового ственно, К/с, К/с~; воздействия. Вт/м . То - начэльнзя температура образца, К; Дифференциальное уравнение (16) с g - плотность мощности теплового имграничными условиями (17) решалось с испульсного воздействия, поглощаемого пепользованием двух современных аппаратов редней поверхностью образца, Вт/м 2 . 40 прикладной математики - интегральных Формулы для расчета а, X образца полпреобразований Лапласа и вариационных учены из выражений, описывающих распреметодов, что позволило получить решение деление температуры в бесконечной довольно простого вида достаточной точнопластине толщиной I для случая граничных сти, удобного для использования в инжеусловий 3-го рода при монотонном разогрепрактике проектирования ве обеих ее поверхностей и периодическим 45 нерной теплофизических приборов. импульсным тепловым воздействием на одну из них. В этом случае дифференциальное Величину g с учетом коэффициента поуравнение теплопроводности пластины глощения материала образца можно опреимеет вид: делять до процесса измерения, использ/я 50 высо^остабильный источник мощности теплового воздействия или і.епосредст±_дТ_ (12) венно, например, с помощью того или иноа дх го измерителя мощности теплового излучения (при этом погрешность измере55 НИЙ может быть довольно мала, около при граничных • 2:0,5%) или используя дополнительный ^ эталонный образец. 1 С)1 t Размеры исследуемого образца, имеСЗ) ющего простую цилиндрическую Форму без необходимости дополнительной обраZ 1721491 женную с дисплеем 12 и цифропечатью 13, ботки, могут быть достаточно калы и опрезеркало 14 и измеритель 15 энергии импульделяются необходимостью прохождения в сного теплового воздействия. образце одномерного теп л овогопотока, который принимается таковым, если отношеСпособ осуществляют следующим обрэние диаметра образца к толщине не 5 зом. меньше 5, и быстродействием системы реПри включении задатчика 3 срабатывагистрации переходного процесса, которая ет задвижка 2, импульсное тепловое воздейможет составлять десятки микросекунд. ствие заданной длительности подается на При этом достигается большая скорость переднюю поверхность образца А и однолинейного нагрева и малое время изме- 10 временно запускаются зздзтчик 8 темперарения. Например, скорость линейного туры, нагревающий измерительную ячейку 5 нагрева для образца из молибдена разпо линейному закону, пмикроЭВМ 11, начимерами диаметром 5 мм, толщиной 1 мм нающая отсчет времени и регистрацию темсоставляет 63 К/мин, что в 10 раз превыпературы задней поверхности образца 4 с шает скорость линейного нагрева по из- 15 ее линеаризацией при помощи терглопары вестному способу. 9 \л усилителя 10 от момента подачи импульПроцесс измерения заключается в регистрации температуры в трех точках температурно-временной зависимости температурного превышения задней по- 20 верхности образца - одной для области импульсного теплового воздействия и двух при его отсутствии, для определения критерия Био. Критерий Био определяется по экспери- 25 ментальной зависимости. На участке без им іульснпго теплового воздействия характер изменения температуры задней поверхности образца, ее скорость изменения, пропорциональна величине тепловых по- 30 терь, 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 'функциональ- 35 ная схема устройства измерения ТФХ; на фиг.2 - зависимости изменения температурного превышения 6 Т = (Т-То), первой V= дТ/dfo и второй V^^T/dFl ее производной от критерия Фурье; на 40 фмг.З - фрагмент изменения температурного превышения задней поверхности образца из молибдена в процессе измерения его ТФХ р диапазоне температур 45 от 300 до 1300К, Данный способ может быть реализован с помощью устройства (фиг 1), содержащего лазер 1, формирователь импульсов на основе соленоида с задвижкой 2 и зацатчик 3 длительности, образец 4 находящийся в из- 50 мерительной ячейке о нагреваемой электрической печью 6 сопротивления по линейному закону с помошью термопары 7 и задатчика Б температуры, термопару 9, измеряющую изменение температурного 55 превышения на задней поверхности образца 4, Устройство содержит также операцмонкый усилитель 10. усиленный сигнал с которого подается номикроЭВМ 11. сопря сного теплового воздействия на его переднюю поверхность. После прекращения действия импульсного теплового воздейст9ия 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 этих требований 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 времензми. 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 *И. определяющей ее усредненное значение по нескольким измерениям. Формула изобретения Способ измерения теплофиэических характеристик материалов, заключающийся в 10 1721491 одновременном нагреве образца по линейd = A1V22 ному закону и пеоиоднческими импульсами, измерении приращения его температуры во А1 = T21 - Т о - A T t 2 i ; времени, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности и c=AT*(A2-Ai); информативности процесса измерения теплофизических характеристик материалов, особенно при значительных тепловых потед 2 = T22 ~ To ~ A T* t22 .' рях, нагревают периодическими импульсами переднюю поверхность образца и при 10 * Vi V21 V21 л т скорость измерении приращения температуры его AT = — - 7 ^ —V21 задней поверхности во времени определялинейного повышения температуры ют величину критерия Био, выбирая рабочие (К/с); точки на кривой переходного процесса проTi.ti, T21, t2i, T22, t22 ~ температура и извольным образом, причем температуроп- 15 соответствующее ей время температурнороводность, теплопроводность и временной зависимости превышения темтеплоемкость определяют по математичепературы задней поверхности образца для ским зависимостям области действия теплового импульсного воздействия (индекс 1} и его отсутствия в 20 двух точках (индексы 21, 22) соответственно -V21 а =• (К, с). - N V i — V21 ' #Ті х—• &(2+В.)|(Ті ''«•і-і-їїГ-^Т 2 -» 25 CDгде а, Аср, \,р~ температуропроводность, теплопроводность, удельная теплоемкость, толщина v\ плотность образца соответственно, м /с ат/мК, дж/кгК м, к г / м 3 ; м _ ю в,(6 + в р . Б? + 10 В, 4- ЗО з, - .т.? ( 3d - «риіерий Био О Т22 V22 = д ' О 122 Первые и вторые производные температуры по времени для области действия импульсного 35 теплового воздействия (индекс 1) и его отсутствия в 2 точках (индексы 21,22) соответ2 ственно, К/с, К/с ; То - начальная температура образца, К; 40 g - плотность мощности импульсного теплового воздействия, поглощаемого передней поверхностью образца, Вт/м 2 . 1721491 75 5 6 U _/ п • і 9 і I » 10 1 У «. 2 /2 8 Фигі 2І Si 7J 1721491 3 г ST,K ti'z.3 Редактор H Рогулич Составитель Н Грищенко Техред М Моргентал Корректор М.Шароши Заказ 948 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобоетениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035 Москва, Ж-35, Раушская нэб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент" г Ужгород ул.Гагарина, 101