RU2178166C2 - Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials - Google Patents

Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials Download PDF

Info

Publication number
RU2178166C2
RU2178166C2 RU99125489/28A RU99125489A RU2178166C2 RU 2178166 C2 RU2178166 C2 RU 2178166C2 RU 99125489/28 A RU99125489/28 A RU 99125489/28A RU 99125489 A RU99125489 A RU 99125489A RU 2178166 C2 RU2178166 C2 RU 2178166C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
time
thermal
sample
reference sample
Prior art date
Application number
RU99125489/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU99125489A (en
Inventor
С.В. Мищенко
А.А. Чуриков
Г.В. Шишкина
Original Assignee
Тамбовский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тамбовский государственный технический университет filed Critical Тамбовский государственный технический университет
Priority to RU99125489/28A priority Critical patent/RU2178166C2/en
Publication of RU99125489A publication Critical patent/RU99125489A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2178166C2 publication Critical patent/RU2178166C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: thermal tests of solid and dispersive materials. SUBSTANCE: method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials consists in measurement of thickness of examined specimen and in bringing it into thermal contact along plane with standard specimen. Then examined and standard specimens are subjected to thermostatting at initial specified temperature. Temperatures on outer surfaces of examined and standard specimens are kept equal to specified initial temperature of thermos tatting, specific power of heat source is recorded and temperature of standard specimen in specified section is measured with constant time interval. Standard specimen comes in the form of package of two flat standard specimens with different thermophysical properties and thickness of each plate depends on relation of thermal diffusivity of materials of these specimens. Two sequential time moments when second derivative of temperature in time becomes equal to zero. Test is terminated with occurrence of second time moment. EFFECT: raised accuracy and high-speed measurement of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области тепловых испытаний твердых и дисперсных материалов, а именно к области исследования теплофизических характеристик этих материалов. The invention relates to the field of thermal testing of solid and dispersed materials, and in particular to the field of research of thermophysical characteristics of these materials.

Известен способ определения теплопроводности материалов в широком диапазоне температур [Авторское свидетельство СССР 1741036, кл. G 01 N 25/18, 1992] , заключающийся в том, что в термостате размещаются два исследуемых образца цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель, находящийся между образцами, а также дифференциально включенная термопара, горячий спай которой расположен в одном из исследуемых образцов, а холодный на границе этого образца с термостатом. При достижении стационарного состояния фиксируют сигнал дифференциальной термопары и мощность плоского нагревателя, сравнивают эти значения и по результату рассчитывают теплопроводность исследуемого материала. A known method for determining the thermal conductivity of materials in a wide temperature range [USSR Author's Certificate 1741036, class. G 01 N 25/18, 1992], which consists in the fact that in the thermostat are placed two test samples of a cylindrical shape, a flat central heater located between the samples, and also a differentially switched thermocouple, the hot junction of which is located in one of the test samples, and the cold on the border of this sample with a thermostat. Upon reaching a stationary state, the differential thermocouple signal and the power of a flat heater are recorded, these values are compared, and the thermal conductivity of the material under study is calculated from the result.

Недостатками этого способа являются возможность определения только одного теплофизического свойства теплопроводности, большая длительность эксперимента из-за необходимости достижения стационарного состояния. The disadvantages of this method are the ability to determine only one thermophysical property of thermal conductivity, the long duration of the experiment due to the need to achieve a stationary state.

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов [Авторское свидетельство СССР 1689825, кл. G 01 N 25/18, 1991] , заключающийся в том, что исследуемый образец приводят в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом и термостатируют образцы при заданной начальной температуре, затем подводят теплоту к плоскости внутри эталонного образца, расположенной на известном расстоянии и параллельно плоскости контакта, и измеряют температуру эталонного образца в заданном сечении. Измеряют толщину исследуемого образца, а температуры на внешних поверхностях эталонного и исследуемого образцов поддерживают постоянными и равными заданной начальной температуре термостатирования, теплоту подводят непрерывно и регистрируют значения удельной мощности источника теплоты во времени. Испытания прекращают при достижении заданной минимальной скорости изменения температуры, а искомые теплофизические характеристики исследуемого материала вычисляют по зависимостям, приведенным в формуле изобретения. A known method for determining the thermophysical characteristics of materials [USSR Copyright Certificate 1689825, class. G 01 N 25/18, 1991], namely, that the test sample is brought into thermal contact along the plane with the reference sample and the samples are thermostated at a given initial temperature, then heat is supplied to the plane inside the reference sample located at a known distance and parallel to the plane contact, and measure the temperature of the reference sample in a given section. The thickness of the test sample is measured, and the temperatures on the external surfaces of the reference and test samples are kept constant and equal to the set initial temperature of thermostating, the heat is supplied continuously and the values of the specific power of the heat source in time are recorded. The tests are stopped when the specified minimum rate of temperature change is reached, and the desired thermophysical characteristics of the material under study are calculated from the dependencies given in the claims.

Этот способ по сравнению с [Авторское свидетельство СССР 1741036, кл. G 01 N 25/18, 1992] позволяет определять комплекс теплофизических характеристик по измеряемой до момента времени τк температуре Т(lэ, τ) в сечении образца х= lэ, но заданное значение параметра интегрирования р= -ln[10-4/T(τк)] /τк, используемого в интегральных характеристиках температуры

Figure 00000002
, не для всех исследуемых материалов дает определенное минимальное значение погрешности. Поэтому у данного способа недостаточно высокая точность измерения теплофизических свойств, а также значительная длительность измерения, вызванная необходимостью достижения практически стационарного значения температуры, τк достигает 600. . . 900 с, а скорость изменения температуры должна быть Smin≈10-4К/с.This method compared with [USSR Author's Certificate 1741036, cl. G 01 N 25/18, 1992] allows us to determine the complex of thermophysical characteristics measured up to time τ to temperature T (l e , τ) in the sample cross section x = l e , but the set value of the integration parameter is p = -ln [10 -4 / T (τ k )] / τ k used in the integral temperature characteristics
Figure 00000002
, not for all the studied materials gives a certain minimum error value. Therefore, this method does not have a sufficiently high accuracy of measurement of thermophysical properties, as well as a significant measurement duration, due to the need to achieve a practically stationary temperature, τ k reaches 600. . 900 s, and the rate of temperature change should be S min ≈10 -4 K / s.

Наиболее близким техническим решением является способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов [Патент Российской Федерации, кл. G 01 N 25/18, 1995] , заключающийся в том, что измеряют толщину исследуемого образца и приводят его в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом, термостатируют исследуемый и эталонный образцы при начальной заданной температуре, затем подводят непрерывно теплоту к плоскости сечения внутри эталонного образца, расположенной на заданном расстоянии и параллельно плоскости контакта, при этом температуры на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов поддерживают равными заданной начальной температуре термостатирования, регистрируют удельную мощность источника теплоты и измеряют с постоянным шагом во времени температуру эталонного образца в заданном сечении, на каждом шаге определяют величину динамического параметра, представляющего собой отношение температуры в заданном сечении эталонного образца на шаге измерения, номер которого на постоянное число меньше номера последнего шага измерения, к температуре в этом же сечении эталонного образца на последнем шаге измерения, сравнивают величину динамического параметра с заданным максимальным значением, причем испытания заканчивают при превышении заданного максимального значения динамического параметра и определяют искомые теплофизические характеристики по зависимостям, приведенным в формуле изобретения. The closest technical solution is a method for the comprehensive determination of the thermophysical characteristics of materials [Patent of the Russian Federation, cl. G 01 N 25/18, 1995], namely, that the thickness of the test sample is measured and brought into thermal contact along the plane with the reference sample, the test and reference samples are thermostated at the initial set temperature, then heat is continuously supplied to the section plane inside the reference a sample located at a given distance and parallel to the plane of contact, while the temperatures on the external surfaces of the test and reference samples are maintained equal to a given initial temperature of thermostating, They measure the specific power of the heat source and measure the temperature of the reference sample in a given section with a constant step in time, at each step determine the value of the dynamic parameter, which is the ratio of the temperature in a given section of the reference sample at the measurement step, whose number is a constant number less than the number of the last measurement step , to the temperature in the same section of the reference sample at the last measurement step, compare the value of the dynamic parameter with a given maximum value, m test terminated when exceeding a predetermined maximum dynamic parameter values and determine the required thermal characteristics of relationships given in the claims.

По сравнению с [Авторское свидетельство СССР 1689825, кл. G 01 N 25/18, 1991] данный способ обладает большим быстродействием, но указанный динамический параметр для различных исследуемых материалов будет иметь разные числовые значения в пределах (0,2. . 0,8), нечеткое задание которого заранее может вносить погрешность в результат измерения, так как может быть не учтен весьма информативный участок графика изменения температуры. Недостатком данного способа также является то, что для определения теплофизических свойств используется температура только в одном сечении эталонного образца или над нагревателем, или под ним, а для более точных измерений требуется информация о температурах в двух сечениях и над нагревателем, и под ним. Compared with [USSR Author's Certificate 1689825, cl. G 01 N 25/18, 1991] this method has a high speed, but the specified dynamic parameter for various materials to be studied will have different numerical values within (0.2.. 0.8), a fuzzy setting of which in advance may introduce an error into the result measurements, since a very informative section of the temperature change graph may not be taken into account. The disadvantage of this method is that to determine the thermophysical properties, temperature is used in only one section of the reference sample either above or below the heater, and for more accurate measurements, information is required on temperatures in two sections above and below the heater.

Техническая задача изобретения повышение точности и быстродействия измерения теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов. The technical task of the invention is to improve the accuracy and speed of measuring the thermophysical characteristics of solid and dispersed materials.

Техническая задача достигается тем, что в способе комплексного определения теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов, заключающемся в том, что измеряют толщину исследуемого образца и приводят его в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом, термостатируют исследуемый и эталонный образцы при начальной заданной температуре, затем подводят непрерывно теплоту к плоскости сечения внутри эталонного образца, расположенной на заданном расстоянии и параллельно плоскости контакта, при этом температуры на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов поддерживают равными заданной начальной температуре термостатирования, регистрируют удельную мощность источника теплоты и измеряют с постоянным шагом во времени температуру эталонного образца в заданном сечении, в отличие от прототипа эталонный образец выполнен в виде пакета из двух плоских эталонных образцов с различными теплофизическими свойствами, а толщина каждого из них зависит от соотношения температуропроводности материалов этих образцов, к плоскости контакта которых подводится теплота постоянной во времени мощности, температуру измеряют в заданных сечениях каждого эталонного образца, на каждом шаге измерения температуры вычисляют первую и вторую производные температуры по времени в указанных сечениях пакета эталонных образцов, фиксируют два последовательных момента времени, когда вторая производная температуры по времени становится равна нулю, испытания заканчивают при наступлении второго из этих моментов времени, а искомые теплофизические характеристики определяют по формулам
a= ph2/gu (1)

Figure 00000003

Figure 00000004

Figure 00000005

Figure 00000006

Figure 00000007

Figure 00000008

Figure 00000009

g1= pL12/a1; (9)
gэ= pLэ2/aэ; (10)
р1, р2 - параметры интегрирования Лапласа, определяемые из уравнений
p1= p= T'(l, t2)/T(l, t2), (11)
p2= kp= T'(l, t1)/T(l, t1); (12)
gu - безразмерный параметр, определяемый из уравнения
Figure 00000010

k= p2/p1 - постоянный коэффициент (k≠1)
Figure 00000011

Figure 00000012

h - толщина исследуемого образца;
Lэ - толщина верхнего эталонного образца;
L1 - толщина нижнего эталонного образца;
lэ - расстояние от источника теплоты до плоскости измерения температуры внутри верхнего эталоннго образца;
l1 - расстояние от источника теплоты до плоскости измерения температуры внутри нижнего эталонного образца;
mэ= (Lэ-lэ)/Lэ, m1= (L1-l1)/L1, ηэ= lэ/Lэ - геометрические параметры, вычисляемые до начала эксперимента;
a - температуропроводность исследуемого материала;
aэ - температуропроводность верхнего эталонного материала;
a1 - температуропроводность нижнего эталонного материала;
λ - теплопроводность исследуемого материла;
λэ - теплопроводность верхнего эталонного материала;
λ1 - теплопроводность нижнего эталонного материала;
Q - удельная тепловая мощность источника теплоты;
T1(l1, t) - температура нижнего эталонного образца в сечении х= l1;
Tэ(lэ, t) - температура верхнего эталонного образца в сечении х= lэ;
t1 - момент времени, когда вторая производная температуры становится равна нулю в первый раз: T"1(l1, t1)= 0;
t2 - момент времени, когда вторая производная температуры становится равна нулю во второй раз: T"1(l1, t2) = 0, то есть время окончания эксперимента;
На фиг. 1 представлена графическая иллюстрация способа.The technical problem is achieved by the fact that in the method for the complex determination of the thermophysical characteristics of solid and dispersed materials, which consists in measuring the thickness of the test sample and bringing it into thermal contact along the plane with the reference sample, the test and reference samples are thermostated at the initial set temperature, then bring continuously heat to the section plane inside the reference sample, located at a given distance and parallel to the contact plane, while the temperatures at the external the surfaces of the test and reference samples are maintained equal to a given initial temperature of thermostating, the specific power of the heat source is recorded and the temperature of the reference sample in a given section is measured with a constant step in time, in contrast to the prototype, the reference sample is made in the form of a package of two flat reference samples with different thermophysical properties , and the thickness of each of them depends on the ratio of thermal diffusivity of the materials of these samples, to the contact plane of which the heat of a constant-in-time power is measured, the temperature is measured in predetermined sections of each reference sample, at each step of the temperature measurement, the first and second derivatives of the temperature are calculated over time in the indicated sections of the package of reference samples, two consecutive times are recorded when the second time derivative of the temperature becomes equal to zero, the tests are completed when the second of these time points occurs, and the required thermophysical characteristics are determined by the formulas
a = ph 2 / g u (1)
Figure 00000003

Figure 00000004

Figure 00000005

Figure 00000006

Figure 00000007

Figure 00000008

Figure 00000009

g 1 = pL 1 2 / a 1 ; (9)
g e = pL e 2 / a e ; (10)
p 1 , p 2 - Laplace integration parameters determined from the equations
p 1 = p = T '(l, t 2 ) / T (l, t 2 ), (11)
p 2 = kp = T '(l, t 1 ) / T (l, t 1 ); (12)
g u is the dimensionless parameter determined from the equation
Figure 00000010

k = p 2 / p 1 - constant coefficient (k ≠ 1)
Figure 00000011

Figure 00000012

h is the thickness of the test sample;
L e - the thickness of the upper reference sample;
L 1 is the thickness of the lower reference sample;
l e - the distance from the heat source to the plane of temperature measurement inside the upper reference sample;
l 1 is the distance from the heat source to the plane of temperature measurement inside the lower reference sample;
m e = (L e -l e ) / L e , m 1 = (L 1 -l 1 ) / L 1 , η e = l e / L e - geometric parameters calculated before the start of the experiment;
a - thermal diffusivity of the studied material;
a e - thermal diffusivity of the upper reference material;
a 1 - thermal diffusivity of the lower reference material;
λ is the thermal conductivity of the investigated material;
λ e - thermal conductivity of the upper reference material;
λ 1 - thermal conductivity of the lower reference material;
Q is the specific thermal power of the heat source;
T 1 (l 1 , t) is the temperature of the lower reference sample in the section x = l 1 ;
T e (l e , t) is the temperature of the upper reference sample in the section x = l e ;
t 1 - the point in time when the second derivative of the temperature becomes zero for the first time: T " 1 (l 1 , t 1 ) = 0;
t 2 is the point in time when the second derivative of the temperature becomes zero a second time: T " 1 (l 1 , t 2 ) = 0, that is, the time of the end of the experiment;
In FIG. 1 is a graphical illustration of the method.

Система состоит из исследуемого образца 1 и двух эталонных образцов: верхнего 2 и нижнего 3. Все образцы имеют форму пластин. В плоскости контакта эталонов 2 и 3 размещен плоский источник теплоты 4, генерирующий ее непрерывно с постоянной мощностью. Исследуемый образец 1 приводится в тепловой контакт с верхним эталоном 2. В обоих эталонных образцах расположены датчики температуры: в верхнем 5 - на расстоянии lэ, в нижнем 6 - на расстоянии l1 от плоскости нагрева. Внешние поверхности образцов приводятся в тепловой контакт со стоками теплоты 7 с постоянной температурой. Термостатирующая стенка 8 позволяет исключить теплообмен с окружающей средой. Постоянную мощность нагрева обеспечивает блок стабилизированного питания (БСП) 9. Значения температуры, измеряемой датчиками 5 и 6, преобразуются преобразователями 10 и 11 в сигнал, удобный для передачи в измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) 12, а именно во входной блок 13 (например, АЦП). Компьютер 14 определяет величину температуры, время эксперимента, вычисляет первую и вторую производные температуры, а при достижении заданной величины второй (или первой) производной температуры через выходной блок 15 ИВК (например, ЦАП) отключает (или изменяет) через коммутатор 16 сигнал с БСП 9, идущий на плоский нагреватель 4. В состав ИВК входят также блок управления и задания 17 и монитор компьютера 18.The system consists of test sample 1 and two reference samples: upper 2 and lower 3. All samples are in the form of plates. A plane heat source 4 is placed in the contact plane of standards 2 and 3, generating it continuously with constant power. The test sample 1 is brought into thermal contact with the upper standard 2. In both reference samples temperature sensors are located: in the upper 5 - at a distance l e , in the lower 6 - at a distance l 1 from the heating plane. The external surfaces of the samples are brought into thermal contact with sinks of heat 7 with a constant temperature. Thermostatic wall 8 eliminates heat exchange with the environment. Constant heating power is provided by the stabilized power supply unit (BSP) 9. The temperature values measured by sensors 5 and 6 are converted by converters 10 and 11 into a signal convenient for transmission to the measuring and computing complex (IVC) 12, namely to the input unit 13 (for example , ADC). Computer 14 determines the temperature, the time of the experiment, calculates the first and second derivatives of the temperature, and when the specified value of the second (or first) derivative of the temperature is reached through the output unit 15 of the IVC (for example, the DAC), it disconnects (or changes) the signal from the BSP 9 through the switch 16 going to the flat heater 4. The CPM also includes a control unit and tasks 17 and a computer monitor 18.

Способ реализуют следующим образом. The method is implemented as follows.

Перед началом эксперимента измеряют толщину исследуемого образца h, толщины верхнего эталонного Lэ и нижнего эталонного L1 образцов заранее известны. Также известны расстояния от плоскости нагрева до плоскостей измерения температур lэ и l1.Before the experiment, measure the thickness of the test sample h, the thickness of the upper reference L e and the lower reference L 1 samples are known in advance. Also known are the distances from the heating plane to the planes for measuring temperatures l e and l 1 .

Исследуемый образец 1 приводят в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом 2. The test sample 1 is brought into thermal contact in a plane with the reference sample 2.

Температуры на внешних поверхностях исследуемого и эталонных образцов поддерживают постоянными и равными заданной начальной температуре термостатирования. The temperatures on the external surfaces of the test and reference samples are kept constant and equal to a given initial temperature of thermostating.

К плоскости контакта эталонных образцов 2 и 3 непрерывно подводят теплоту. В процессе подвода теплоты измеряют и регистрируют изменение во времени t значений температур T1(l1, t) нижнего эталонного образца в плоскости с координатой х= l1 и Tэ(lэ, t) верхнего эталонного образца в плоскости х= lэ. Одновременно вычисляются первая и вторая производные температур в обоих образцах: T1'(l1, t), T"1(l1, t), T'э(lэ, t), T"э(lэ, t). Значение удельной мощности источника теплоты Q известно и постоянно в течение всего испытания.Heat is continuously supplied to the contact plane of reference samples 2 and 3. In the heat supply process, the temperature change in time t of the temperature values T 1 (l 1 , t) of the lower reference sample in the plane with the coordinate x = l 1 and T e (l e , t) of the upper reference sample in the x = l e plane is measured and recorded . At the same time, the first and second derivatives of the temperatures in both samples are calculated: T 1 ' (l 1 , t), T " 1 (l 1 , t), T' e (l e , t), T" e (l e , t) . The value of the specific power of the heat source Q is known and constant throughout the test.

В расчетных зависимостях используется безразмерный параметр g= pL2/a, где р - параметр интегрирования Лапласа; L - геометрический параметр, в данном случае толщина исследуемого или эталонного образца; а - температуропроводность материала рассматриваемого образца. Для двух эталонных образцов безразмерные параметры находятся по формулам (8) и (9), для исследуемого материала gu= ph2/au.In the calculated dependences, the dimensionless parameter g = pL 2 / a is used, where p is the Laplace integration parameter; L is a geometric parameter, in this case, the thickness of the test or reference sample; a - thermal diffusivity of the material of the sample in question. For two reference samples, dimensionless parameters are found by formulas (8) and (9), for the material under study, g u = ph 2 / a u .

В расчетных зависимостях используются также интегральные характеристики температур T*1(l1, p) и T*э(lэ, p) эталонных образцов, вычисляемые по известной формуле преобразования Лапласа:

Figure 00000013

Figure 00000014

где T1(l1, t) и Tэ(lэ, t) - измеряемые температуры в сечениях х= l1 и х= lэ.The calculated dependences also use the integral characteristics of the temperatures T * 1 (l 1 , p) and T * e (l e , p) of the reference samples calculated by the well-known Laplace transform formula:
Figure 00000013

Figure 00000014

where T 1 (l 1 , t) and T e (l e , t) are the measured temperatures in the sections x = l 1 and x = l e .

Очевидно, что для двух интегральных характеристик Т*1(l1, p) и Tэ*(lэ, p) параметр р - одно и то же число. Чтобы это условие выполнялось, при проведении испытаний необходимо соблюдать следующее соотношение параметров эталонных образцов, полученное из зависимостей (8) и (9):

Figure 00000015

При соблюдении условия (18) можно контролировать ход эксперимента по температурным кривым T1(l1, t) и Tэ(lэ, t). Вычислять первую и вторую производные можно для любого эталона как для верхнего Tэ'(lэ, t), Tэ"(lэ, t), так и для нижнего T'1(l1, t), T1''(l1, t).Obviously, for the two integral characteristics T * 1 (l 1 , p) and T e * (l e , p), the parameter p is the same number. In order to fulfill this condition, during the tests it is necessary to observe the following ratio of the parameters of the reference samples obtained from dependences (8) and (9):
Figure 00000015

Subject to condition (18), the experiment can be monitored by the temperature curves T 1 (l 1 , t) and T e (l e , t). The first and second derivatives can be calculated for any standard, both for the upper T e ' (l e , t), T e " (l e , t), and for the lower T' 1 (l 1 , t), T 1 '' (l 1 , t).

На фиг. 2 показаны графики функций 1-T(l, t) (где l - l1 или lэ), 2 -e-kptT(l, t), 3 - e-ptT(l, t). У температурной кривой T(l, t) существуют два особых последовательных момента времени t1 и t2, в которых первая производная температуры по времени становится постоянной T'(l, t)= const, T'(l, t2)= const, а вторая производная температуры по времени становится равна нулю, т. е. Т"(l, t1)= 0, Т''(1, t2)= 0. При наступлении момента t2 испытание заканчивается.In FIG. 2 shows graphs of the functions 1-T (l, t) (where l - l 1 or l e ), 2 -e- kpt T (l, t), 3 - e -pt T (l, t). The temperature curve T (l, t) has two special consecutive time instants t 1 and t 2 in which the first time derivative of the temperature becomes constant T ' (l, t) = const, T ' (l, t 2 ) = const , and the second time derivative of the temperature becomes equal to zero, i.e., T "(l, t 1 ) = 0, T '' (1, t 2 ) = 0. When the moment t 2 arrives, the test ends.

Из анализа подынтегральной функции е-ptТ{ 1, t) в формулах (16) и (17) можно найти величины параметров интегрирования p1 и р2:
p1= p= T'(l, t2)/T(l, t2), (19)
p2= kp= T'(l, t1)/T(l, t1). (20)
Коэффициент k находится из соотношения
k= p2/p1. (21)
Искомые теплофизические характеристики исследуемого образца 1 определяются по формулам (1), (2), полученным из решения краевой задачи теплопереноса в области интегральных преобразований Лапласа.
From the analysis of the integrand e -pt T (1, t) in formulas (16) and (17), we can find the values of the integration parameters p 1 and p 2 :
p 1 = p = T '(l, t 2 ) / T (l, t 2 ), (19)
p 2 = kp = T '(l, t 1 ) / T (l, t 1 ). (20)
The coefficient k is found from the relation
k = p 2 / p 1 . (21)
The required thermophysical characteristics of the studied sample 1 are determined by formulas (1), (2) obtained from the solution of the boundary-value heat transfer problem in the region of Laplace integral transforms.

Пример конкретной реализации способа. An example of a specific implementation of the method.

Проводились испытания нескольких материалов: полиметилметакрилата, капролона-В, стекла-8, политетрафторэтилена и др. Покажем конкретные измерения на примере образца из полиметилметакрилата. Several materials were tested: polymethylmethacrylate, caprolon-B, glass-8, polytetrafluoroethylene, etc. Let us show specific measurements using an example of a sample of polymethylmethacrylate.

Предварительно микрометром была измерена толщина h= 2,75•10-3 м исследуемого образца из полиметилметакрилата. Затем исследуемый образец привели в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом, выполненным в виде пакета из двух эталонных образцов с различными теплофизическими свойствами. Верхний образец из кварца, его температуропроводность aэ= 3,45•10-6 м2/с, теплопроводность λэ= 7,21 Вт/(м•К), толщина Lэ= 4,5•10-3 м. Нижний образец выполнен из полиметилметакрилата, его температуропроводность a1= 1,1•10-7 м2/с, теплопроводность λ1= 0,19 Вт/(м•К), толщина L1= 0,8•10-3 м, В обоих эталонных образцах расположены датчики температуры в плоскостях lэ= 2,25•10-3 м и l1= 0,4•10-3 м. На внешние поверхности эталонного и исследуемого образцов поместили стоки 7 теплоты постоянной температуры, выполненные в виде проточных теплообменников. Эталонные 2, 3 и исследуемый 1 образцы поместили в воздушный термостат. После стабилизации температуры образцов включили источник теплоты 4, выполненный в виде плоского электронагревателя. После включения источника теплоты 4 к нему подводилась теплота постоянной во времени мощностью Q= 320 Вт/м2 непрерывно вплоть до окончания эксперимента. Момент включения источника теплоты был принят за начало отсчета времени эксперимента t= 0. Через равные промежутки времени Δt= 0,1 с регистрировали значения температур в обоих эталонных образцах T1(l1, t) и Tэ(lэ, t). Так как в эксперименте соблюдается соотношение параметров эталонных образцов (18), то первая и вторая производные температуры рассчитывались только для одного нижнего образца: T'1(l1, t), T"1(l1, t). Зафиксировали два момента времени, когда вторая производная температуры нижнего образца обращается в ноль: t1= 15 с, t2= 72 с (исследования показали, что для большинства твердых и дисперсных материалов t1= 12. . 17 с, t2= 70. . 90 с). В момент времени t2 эксперимент закончили.The thickness h = 2.75 • 10 -3 m of the test sample of polymethylmethacrylate was previously measured with a micrometer. Then, the test sample was brought into thermal contact along the plane with a reference sample made in the form of a package of two reference samples with different thermophysical properties. The upper sample is made of quartz, its thermal diffusivity a e = 3.45 • 10 -6 m 2 / s, thermal conductivity λ e = 7.21 W / (m • K), thickness L e = 4.5 • 10 -3 m. The lower sample is made of polymethylmethacrylate, its thermal diffusivity a 1 = 1.1 • 10 -7 m 2 / s, thermal conductivity λ 1 = 0.19 W / (m • K), thickness L 1 = 0.8 • 10 -3 m , In both reference samples, temperature sensors are located in the planes l e = 2.25 • 10 -3 m and l 1 = 0.4 • 10 -3 m. On the external surfaces of the reference and studied samples were placed sinks 7 of constant-temperature heat made in in the form of flow heat exchangers. Reference 2, 3 and test 1 samples were placed in an air thermostat. After stabilization of the temperature of the samples, a heat source 4 was turned on, made in the form of a flat electric heater. After the heat source 4 was turned on, heat was supplied to it with a constant time power of Q = 320 W / m 2 continuously until the end of the experiment. The moment of switching on the heat source was taken as the start of the experiment time t = 0. At equal time intervals Δt = 0.1 s, the values of temperatures in both reference samples T 1 (l 1 , t) and T e (l e , t) were recorded. Since in the experiment the ratio of the parameters of the reference samples is observed (18), the first and second derivatives of the temperature were calculated only for one lower sample: T ' 1 (l 1 , t), T " 1 (l 1 , t). Two points in time were recorded when the second derivative of the temperature of the lower sample vanishes: t 1 = 15 s, t 2 = 72 s (studies have shown that for most solid and dispersed materials t 1 = 12.. 17 s, t 2 = 70.. 90 s ). At time t 2, the experiment was completed.

Теплофизические свойства исследуемого материала определялись и вычислялись с помощью ИВК 12 (фиг. 1), построенного на базе персонального компьютера с процессором Pentium по формулам (1)-(15). При этом по экспериментальным данным рассчитали в первую очередь значения параметров интегрирования p1 и р2 по формулам (19), (20). Получили следующие значения: p1= 0,09 с-1, р2= 0,74 с-1, k= 8,2. Затем нашли величины интегральных характеристик температур T*1(l1, p), Т*э(lэ, р) по зависимостям (5), (6) и тепловых потоков q*э(р), q*u(р), q*э(kp), qu*(kp) по формулам (3), (4), (12), (13). Значения безразмерных параметров gэ и g1 рассчитали по зависимостям (8), (9), а из уравнения (10) нашли величину gu= 6,3. После этого по формулам (1) и (2) вычислили температуропроводность и теплопроводность исследуемого материала.The thermophysical properties of the studied material were determined and calculated using IVK 12 (Fig. 1), built on the basis of a personal computer with a Pentium processor according to formulas (1) - (15). Moreover, according to experimental data, first of all, the values of the integration parameters p 1 and p 2 were calculated according to formulas (19), (20). The following values were obtained: p 1 = 0.09 s -1 , p 2 = 0.74 s -1 , k = 8.2. Then we found the integral temperature characteristics T * 1 (l 1 , p), T * e (l e , p) from dependences (5), (6) and heat fluxes q * e (p), q * u (p) , q * e (kp), q u * (kp) according to formulas (3), (4), (12), (13). The values of the dimensionless parameters g e and g 1 were calculated from dependences (8), (9), and from equation (10) the value g u = 6.3 was found. After that, the thermal diffusivity and thermal conductivity of the material under study were calculated using formulas (1) and (2).

В результате испытания были получены следующие значения теплофизических характеристик исследуемого образца: теплопроводность λu= 0,185 Вт/(м•К), температуропроводность аu= 1,08•10-7 м2/с. Относительная погрешность определения температуропроводности и теплопроводности составили 3,6% и 2,6% соответственно.As a result of the test, the following values of the thermophysical characteristics of the test sample were obtained: thermal conductivity λ u = 0.185 W / (m • K), thermal diffusivity a u = 1.08 • 10 -7 m 2 / s. The relative error in determining thermal diffusivity and thermal conductivity was 3.6% and 2.6%, respectively.

По сравнению со способом-прототипом повышается точность и быстродействие измерения теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов за счет того, что эталонный образец выполнен в виде пакета из двух плоских эталонных образцов с различными теплофизическими свойствами, причем температура контролируется в обоих эталонах в заданных плоскостях, а также сокращается длительность испытания, так как эксперимент заканчивается в тот момент, когда вторая производная температуры по времени станет равна нулю во второй раз. Compared with the prototype method, the accuracy and speed of measuring the thermophysical characteristics of solid and dispersed materials are increased due to the fact that the reference sample is made in the form of a package of two flat reference samples with different thermophysical properties, and the temperature is controlled in both standards in predetermined planes, as well as the test duration is reduced, since the experiment ends at the moment when the second time derivative of the temperature becomes zero for the second time.

Claims (1)

Способ комплексного определения теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов, заключающийся в том, что измеряют толщину исследуемого образца и приводят его в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом, термостатируют исследуемый и эталонный образцы при начальной заданной температуре, затем подводят непрерывно теплоту к плоскости сечения внутри эталонного образца, расположенной на заданном расстоянии и параллельно плоскости контакта, при этом температуры на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов поддерживают равными заданной начальной температуре термостатирования, регистрируют удельную мощность источника теплоты и измеряют с постоянным шагом во времени температуру эталонного образца в заданном сечении, отличающийся тем, что эталонный образец выполнен в виде пакета из двух плоских эталонных образцов с различными теплофизическими свойствами, а толщина каждого из них зависит от соотношения температуропроводности материалов этих образцов, к плоскости контакта которых подводится теплота постоянной во времени мощности, температуру измеряют в заданных сечениях каждого эталонного образца, на каждом шаге измерения температуры вычисляют первую и вторую производные температуры по времени в указанных сечениях пакета эталонных образцов, фиксируют два последовательных момента времени, когда вторая производная температуры по времени становится равна нулю, испытания заканчивают при наступлении второго из этих моментов времени, а искомые теплофизические характеристики определяют по формулам
a = ph2/gu;
Figure 00000016

Figure 00000017

Figure 00000018

Figure 00000019

Figure 00000020

Figure 00000021

Figure 00000022

g1 = pL12/a1;
gэ = pLэ2/aэ;
mэ = (Lэ - lэ)/Lэ;
m1 = (L1 - l1)/L1;
ηэ = lэ/Lэ;
Figure 00000023
параметры интегрирования Лапласа;
gu - безразмерный параметр, определяемый из уравнения
Figure 00000024

k = p2/p1 - постоянный коэффициент (k≠1);
Figure 00000025

Figure 00000026

h - толщина исследуемого образца;
Lэ - толщина верхнего эталонного образца;
L1 - толщина нижнего эталонного образца;
lэ - расстояние от источника теплоты до плоскости измерения температуры внутри верхнего эталонного образца;
l1 - расстояние от источника теплоты до плоскости измерения температуры внутри нижнего эталонного образца;
a - температуропроводность исследуемого материала;
aэ - температуропроводность верхнего эталонного материала;
a1 - температуропроводность нижнего эталонного материала;
λ - теплопроводность исследуемого материала;
λэ - теплопроводность верхнего эталонного материала;
λ1 - теплопроводность нижнего эталонного материала;
Q - удельная тепловая мощность источника теплоты;
T1(l1, t) - температура нижнего эталонного образца в сечениях x = l1;
Tэ(lэ, t) - температура верхнего эталонного образца в сечении x = lэ;
t1 - момент времени, когда вторая производная температуры становится равна нулю в первый раз: T1''(l1, t1) = 0;
t2 - момент времени, когда вторая производная температуры становится равна нулю во второй раз: T1''(l1, t2) = 0, то есть время окончания эксперимента.
A method for the complex determination of the thermophysical characteristics of solid and dispersed materials, which consists in measuring the thickness of the test sample and bringing it into thermal contact along the plane with the reference sample, the test and reference samples are thermostated at the initial set temperature, then heat is continuously supplied to the section plane inside the reference a sample located at a given distance and parallel to the plane of contact, while the temperatures on the outer surfaces of the investigated and reference vol samples are maintained equal to a given initial temperature of thermostating, the specific power of the heat source is recorded and the temperature of the reference sample in a given section is measured with a constant step in time, characterized in that the reference sample is made in the form of a package of two flat reference samples with different thermophysical properties, and the thickness of each of them depends on the thermal diffusivity ratio of the materials of these samples, to the contact plane of which heat is supplied with a constant-time power, the temperature is measured in predetermined sections of each reference sample, at each temperature measurement step, the first and second time derivatives of the temperature are calculated in the indicated sections of the package of reference samples, two consecutive time instants are recorded when the second time derivative of the temperature becomes zero, the tests are completed when the second of these points in time, and the desired thermophysical characteristics are determined by the formulas
a = ph 2 / g u ;
Figure 00000016

Figure 00000017

Figure 00000018

Figure 00000019

Figure 00000020

Figure 00000021

Figure 00000022

g 1 = pL 1 2 / a 1 ;
g e = pL e 2 / a e ;
m e = (L e - l e ) / L e ;
m 1 = (L 1 - l 1 ) / L 1 ;
η e = l e / L e ;
Figure 00000023
Laplace integration parameters;
g u is the dimensionless parameter determined from the equation
Figure 00000024

k = p 2 / p 1 - constant coefficient (k ≠ 1);
Figure 00000025

Figure 00000026

h is the thickness of the test sample;
L e - the thickness of the upper reference sample;
L 1 is the thickness of the lower reference sample;
l e - the distance from the heat source to the plane of temperature measurement inside the upper reference sample;
l 1 is the distance from the heat source to the plane of temperature measurement inside the lower reference sample;
a - thermal diffusivity of the studied material;
a e - thermal diffusivity of the upper reference material;
a 1 - thermal diffusivity of the lower reference material;
λ is the thermal conductivity of the investigated material;
λ e - thermal conductivity of the upper reference material;
λ 1 - thermal conductivity of the lower reference material;
Q is the specific thermal power of the heat source;
T 1 (l 1 , t) is the temperature of the lower reference sample in sections x = l 1 ;
T e (l e , t) is the temperature of the upper reference sample in the cross section x = l e ;
t 1 is the point in time when the second derivative of the temperature becomes zero for the first time: T 1 '' (l 1 , t 1 ) = 0;
t 2 is the point in time when the second derivative of the temperature becomes zero a second time: T 1 '' (l 1 , t 2 ) = 0, that is, the time of the end of the experiment.
RU99125489/28A 1999-11-29 1999-11-29 Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials RU2178166C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99125489/28A RU2178166C2 (en) 1999-11-29 1999-11-29 Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99125489/28A RU2178166C2 (en) 1999-11-29 1999-11-29 Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99125489A RU99125489A (en) 2001-09-10
RU2178166C2 true RU2178166C2 (en) 2002-01-10

Family

ID=20227696

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99125489/28A RU2178166C2 (en) 1999-11-29 1999-11-29 Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2178166C2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2523090C1 (en) * 2013-03-18 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ" Method of determining specific heat capacity of materials
RU2608334C1 (en) * 2015-11-02 2017-01-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна" Method of determining heat conductivity of materials
RU169715U1 (en) * 2016-02-09 2017-03-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича Уральского отделения Российской академии наук DEVICE FOR MEASURING THERMAL ACTIVITY OF MATERIAL SAMPLES
RU176601U1 (en) * 2017-09-26 2018-01-24 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Альметьевский государственный нефтяной институт" DEVICE FOR DETERMINING THERMAL PROPERTIES OF MATERIALS
RU186025U1 (en) * 2018-06-28 2018-12-26 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Альметьевский государственный нефтяной институт" DEVICE FOR DETERMINING THERMAL PROPERTIES OF MATERIALS
RU2722088C1 (en) * 2019-05-06 2020-05-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2523090C1 (en) * 2013-03-18 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ" Method of determining specific heat capacity of materials
RU2608334C1 (en) * 2015-11-02 2017-01-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна" Method of determining heat conductivity of materials
RU169715U1 (en) * 2016-02-09 2017-03-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича Уральского отделения Российской академии наук DEVICE FOR MEASURING THERMAL ACTIVITY OF MATERIAL SAMPLES
RU176601U1 (en) * 2017-09-26 2018-01-24 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Альметьевский государственный нефтяной институт" DEVICE FOR DETERMINING THERMAL PROPERTIES OF MATERIALS
RU186025U1 (en) * 2018-06-28 2018-12-26 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Альметьевский государственный нефтяной институт" DEVICE FOR DETERMINING THERMAL PROPERTIES OF MATERIALS
RU2722088C1 (en) * 2019-05-06 2020-05-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hu et al. Thermal conductivity determination of small polymer samples by differential scanning calorimetry
RU2178166C2 (en) Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials
Gustavsson et al. Thermal conductivity as an indicator of fat content in milk
Rachalski et al. Use of the thermal wave method for measuring the flow velocity of air and carbon dioxide mixture
Friis-Pedersen et al. Online measurement of thermal diffusivity during cure of an epoxy composite
Davis In vivo temperature measurements
RU2018117C1 (en) Method of complex determining of thermophysical properties of materials
CN1601262A (en) Method and device for measuring thermal conductivity
Lisker et al. A transient technique for measuring the thermal conductivity of non-metals
RU99125489A (en) METHOD FOR INTEGRATED DETERMINATION OF THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF SOLID AND DISPERSED MATERIALS
RU2287152C1 (en) Method for non-destructive detection of thermo-physical properties of solid materials
RU2755330C1 (en) Method for measuring thermal conductivity
RU2749642C1 (en) Absolute method for differential scanning conductometry of different solid materials
RU2755090C1 (en) Absolute method for differential scanning thermal conductometry
RU2167412C2 (en) Method of complex determination of thermophysical properties of materials
SU1741036A1 (en) Device for determination of thermal conductivity of materials
SU855464A1 (en) Method of determination of solid body thermal conductivity
JP2959895B2 (en) How to measure temperature conductivity
RU2439543C1 (en) Method for complex determination of thermophysical characteristics of materials
RU2771997C1 (en) Method for measuring specific thermal resistance and device for its implementation
RU2329492C2 (en) Method of complex determination of thermophysical properties of materials and method for its implementation
RU2255329C1 (en) Method of measuring thermo-physical properties of materials
RU2328724C1 (en) Method for identification of solid materials thermal properties complex
RU2243543C1 (en) Method for comprehensive evaluation of material thermal characteristics
RU2250454C1 (en) Method of nondestructive control of thermo-physical characteristics of solid materials