RU2550991C1 - Способ определения теплопроводности - Google Patents
Способ определения теплопроводности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2550991C1 RU2550991C1 RU2013154722/28A RU2013154722A RU2550991C1 RU 2550991 C1 RU2550991 C1 RU 2550991C1 RU 2013154722/28 A RU2013154722/28 A RU 2013154722/28A RU 2013154722 A RU2013154722 A RU 2013154722A RU 2550991 C1 RU2550991 C1 RU 2550991C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- heat
- sample
- integration
- time
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам измерений теплопроводности веществ, материалов и изделий и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ осуществляют путем теплового воздействие на образец с последующим охлаждением, измерения разности температур на границах исследуемого участка образца и количества тепла, поступившего в него за время интегрирования разности. Новизна способа заключается в том, что дополнительно осуществляют второе тепловое воздействие, измеряют перепады температур на данных границах относительно температуры окружающей среды, время начала интегрирования задают на стадии первого охлаждения, а его окончание определяют при втором охлаждении, в момент равенства взвешенных сумм перепадов температур в указанные моменты времени: Δt(0, τ2)+pΔt(L, τ2)=Δt(0, τ1)+pΔt(L, τ1), где τ1, τ2 - время начала и окончания интегрирования, p - весовой коэффициент. Теплопроводность определяют по формуле. Технический результат - увеличение точности определения теплопроводности. 2 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к способам измерений теплопроводности веществ, материалов и изделий и может быть использовано в теплофизическом приборостроении.
Из существующего уровня техники известен способ определения теплопроводности, который включает многократное импульсное тепловое воздействие от точечного источника на исследуемый материал, осуществляемое в определенные моменты времени, интегрирование во времени температуры в двух заданных точках его поверхности, фиксирование частоты следования импульсов и определение коэффициента теплопроводности по формуле (патент RU №2149387, МКИ G01N 25/18).
Недостатками данного технического решения являются низкая точность измерения, обусловленная следующими причинами: расчетная формула способа получена для точечного импульсного источника тепла при условии теплоизоляции поверхности образца, что приводит к динамической погрешности измерения температур, погрешности из-за отличия реальных размеров нагревателя от точечного и наличия тепловых потерь с поверхности образца в реальных условиях измерения. Кроме того, формула сложна при технической реализации.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ определения теплопроводности, который включает тепловое воздействие на образец с последующим охлаждением до начальной температуры, измерение разности температур и удельного количества тепла, поступившего в образец, измерение разности температур от момента подачи теплового импульса до момента достижения начального значения температуры образца, а теплопроводность определяют по формуле
где L - толщина образца; Q - удельное количество тепла, поступившего в образец; Δt(τ) - разность температур; Т - промежуток времени от момента подачи теплового импульса до момента достижения начального значения температуры образца (см. Азима Ю.И. Метод измерения теплопроводности на основе интегральной формы уравнения Фурье.// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2000. - Т. 66, №6. - С. 27-32).
Недостатком данного технического решения является низкая точность измерения теплопроводности вследствие того, что в нем не учитывается теплообмен поверхности образца с окружающей средой. Кроме того, в данном способе предполагается начинать и заканчивать измерение при равномерном распределении температуры, что фиксируется по нулевой разности температур. В этом случае увеличивается относительная погрешность измерения температуры и увеличивается время измерения. Окончание измерения не при нулевой разности приводит к дополнительной погрешности из-за влияния объемной теплоемкости образца.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности определения теплопроводности за счет учета тепловых потерь с поверхности образца, уменьшения влияния его объемной теплоемкости и уменьшения погрешности измерения температуры.
Данная задача решается за счет того, что в заявленном способе определения теплопроводности, включающем тепловое воздействие на образец с последующим охлаждением, измерение разности температур на границах исследуемого участка образца и удельного количества тепла, поступившего в него за время интегрирования разности, дополнительно осуществляют второе тепловое воздействие, измеряют перепады температур на данных границах относительно температуры окружающей среды, время начала интегрирования задают на стадии первого охлаждения, а его окончание определяют при втором охлаждении, в момент равенства взвешенных сумм перепадов температур в указанные моменты времени: Δt(0, τ2)+pΔt(L, τ2)=Δt(0, τ1)+pΔt(L, τ1), где τ1, τ2 - время начала и окончания интегрирования, p - весовой коэффициент, и теплопроводность определяют по формуле
где k0, k1, k2 - коэффициенты, определяемые в процессе градуировки;
- удельное количество тепла, поступившего в образец за интервал [τ1, τ2]; Δt(0, τ), Δt(L, τ) - перепад температур на границах исследуемого участка [0, L] образца относительно температуры окружающей среды
Дополнительное измерение перепада температур на границах исследуемого участка [0, L] образца относительно температуры окружающей среды, позволяет решить поставленную задачу за счет учета в расчетной формуле тепловых потерь с поверхности образца:
Осуществление второго теплового воздействия позволяет обеспечить выполнение условия, заложенного теорией способа измерения (см. условия (2)). При этом окончание интегрирования фиксируется не по нулевой разности температур, а по условию равенства взвешенных сумм температур, что уменьшает погрешность измерения температуры и ее интегрального значения. Фиксирование начала и окончания интегрирования на стадии охлаждения обеспечивает уменьшение динамической погрешности измерения температуры. Кроме того, по сравнению с прототипом, уменьшается время измерения.
Для обоснования расчетной формулы определения теплопроводности необходимо рассмотреть основные положения теории, на которой базируется заявленный способ. В нем используется математическое описание теплопередачи в объекте исследования в виде интегральной формы уравнения теплопроводности. Для полуограниченного тела при наличии нагревателя конечных размеров, интегральную форму в приближенном виде, предназначенном для способа определения теплопроводности, можно записать в следующем виде:
где Kis, , - коэффициенты; p0, p1 - весовые коэффициенты при температурах, соответственно: t(0, τ) и t(L, τ); , , - количество тепла, поступившего и ушедшего за интервал времени [τ1, τ2] с единицы поверхности образца, вследствие кондуктивного и конвективного теплообмена с элементами измерительной ячейки (нагреватель, опора на фиг. 1, воздушная или иная среда).
Для определения теплопроводности необходимо исключить из уравнения (1) аккумуляционную составляющую путем обеспечения в моменты времени τ1 и τ2 равенства взвешенных сумм температур или перепадов температур относительно окружающей среды:
где Σtp(τ)=t(0, τ)+pt(L, τ), p=p1/p0.
Тепловые потери с поверхности образца (второе и третье слагаемое левой части (1)) можно выразить через измеряемые перепады температур Δt(0, τ) и Δt(L, τ) относительно температуры окружающей среды, тогда уравнение для определения теплопроводности, с учетом (2), примет вид, соответствующий расчетной формуле в заявленном способе. Аналогичная расчетная формула получается для образцов в виде цилиндра и параллелепипеда.
Если принять в уравнении (2) τ1=0 и τ2=Τ (Τ - время, при котором температурное поле образца возвращается к начальному равномерному распределению, что фиксируется по нулевой разности температур) и отсутствуют тепловые потери с поверхности образца, то получим расчетную формулу прототипа.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 - схема измерительной ячейки для измерения теплопроводности низкотеплопроводных материалов на образцах в виде полуограниченного тела.
На фиг. 2 - графики, поясняющие способ определения теплопроводности.
Пример конкретного использования заявленного способа показан на измерительной ячейке, представленной на фиг. 1, для образцов в виде полуограниченного тела из низкотеплопроводного материала. Ее основными элементами являются образец 1, теплоприемник 2, выполненный из теплопроводного материала; тепломер 3, электрический нагреватель 4, закрепленный на торцевой поверхности тепломера, опора 5 для термопары из теплоизоляционного материала; термопары 6 и 7, одна из которых выполнена в виде пятачковой и закреплена на опоре 5, а вторая расположена между тепломером 3 и нагревателем 4. Свободные спаи термопар находятся на теплоприемнике 2, температура которого за время измерения практически не изменяется и равна температуре окружающей среды. В начальный момент времени τ=0 подают импульс тепла, обеспечивающий нагрев образца до температуры, близкой к максимальной, со скоростью (2÷4) К/с, обеспечивающей минимальное время измерения при достаточной точности измерения температуры. При этом измеряют разность и перепад температур относительно окружающей среды с помощью вышеописанных термопар. После этого образец охлаждают до установления взвешенной суммы перепада температур Σtр(τ1) заданной величины Ω или в течение заданного промежутка времени, по окончании которого определяют взвешенную сумму перепада температур Σtр(τ1), принимающую некоторое текущее значение Ω, т.е. Σtр (τ1)=Ω. Затем подают второй импульс тепла и одновременно начинают измерять удельное количество тепла и интегрирование разности температур Δt(τ). На стадии второго остывания образца интегрирование заканчивается в момент времени τ2, когда взвешенная сумма перепадов температур Σtр(τ2) не достигнет величины Ω, равной ее значению в момент времени τ1, т.е. Σtр(τ2)=Σtр(τ1)=Ω. Значение теплопроводности определяется по расчетной формуле заявленного способа. Коэффициенты k0, k1, k2, входящие в расчетную формулу способа, имеют аналитическое выражение, но в условиях постоянного монтажа термопар в измерительной ячейке, для увеличения точности, рационально их определять в процессе градуировки измерительного прибора по эталонным образцам. Весовой коэффициент р может быть вычислен приближенно аналитически и уточнен в процессе градуировки.
Данный способ прошел теоретические исследования методом имитационного моделирования на различных моделях: аналитической модели полуограниченного тела с источником тепла прямоугольной формы размером 6×15 мм2 при координатах точек измерения температуры х=0 и L=9 мм; дискретной модели измерительной ячейки, показанной на схеме фиг. 1. Уменьшение погрешности определения теплопроводности по сравнению с прототипом в диапазоне теплопроводности от 0,03 Вт/(м·К) до 0,5 Вт/(м·К) составило от 2 до 20 раз при изменении температуропроводности в пределах от 10-7 м2/с до 10-6 м2/с.
Claims (1)
- Способ определения теплопроводности, включающий тепловое воздействие на образец с последующим охлаждением, измерение разности температур на границах исследуемого участка образца и удельного количества тепла, поступившего в него за время интегрирования разности, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют второе тепловое воздействие, измеряют перепады температур на данных границах относительно температуры окружающей среды, время начала интегрирования задают на стадии первого охлаждения, а его окончание определяют при втором охлаждении, в момент равенства взвешенных сумм перепадов температур в указанные моменты времени: Δt(0, τ2)+pΔt(L, τ2)=Δt(0, τ1)+pΔt(L, τ1), где τ1, τ2 - время начала и окончания интегрирования, p - весовой коэффициент, и теплопроводность определяют по формуле
где k0, k1, k2 - коэффициенты, определяемые в процессе градуировки;
- удельное количество тепла, поступившего в образец за интервал [τ1, τ2];
Δt(0, τ), Δt(L, τ) - перепад температур на границах исследуемого участка [0, L] образца относительно температуры окружающей среды.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154722/28A RU2550991C1 (ru) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Способ определения теплопроводности |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154722/28A RU2550991C1 (ru) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Способ определения теплопроводности |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2550991C1 true RU2550991C1 (ru) | 2015-05-20 |
Family
ID=53294225
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013154722/28A RU2550991C1 (ru) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Способ определения теплопроводности |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2550991C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1163232A1 (ru) * | 1982-07-28 | 1985-06-23 | Гомельский Государственный Университет | Способ определени коэффициента температуропроводности материалов |
SU1728755A1 (ru) * | 1990-03-19 | 1992-04-23 | Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище им.Ф.Э.Дзержинского | Способ определени теплофизических характеристик материалов |
RU2149387C1 (ru) * | 1996-10-08 | 2000-05-20 | Клебанов Михаил Геннадиевич | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов |
RU2184953C2 (ru) * | 2000-07-18 | 2002-07-10 | Тамбовский военный авиационный инженерный институт | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов |
RU2255329C1 (ru) * | 2003-12-22 | 2005-06-27 | Тамбовский военный авиационный инженерный институт | Способ определения теплофизических свойств материалов |
JP2005227010A (ja) * | 2004-02-10 | 2005-08-25 | Nichias Corp | 熱伝導率測定装置及び熱伝導率測定方法 |
-
2013
- 2013-12-11 RU RU2013154722/28A patent/RU2550991C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1163232A1 (ru) * | 1982-07-28 | 1985-06-23 | Гомельский Государственный Университет | Способ определени коэффициента температуропроводности материалов |
SU1728755A1 (ru) * | 1990-03-19 | 1992-04-23 | Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище им.Ф.Э.Дзержинского | Способ определени теплофизических характеристик материалов |
RU2149387C1 (ru) * | 1996-10-08 | 2000-05-20 | Клебанов Михаил Геннадиевич | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов |
RU2184953C2 (ru) * | 2000-07-18 | 2002-07-10 | Тамбовский военный авиационный инженерный институт | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов |
RU2255329C1 (ru) * | 2003-12-22 | 2005-06-27 | Тамбовский военный авиационный инженерный институт | Способ определения теплофизических свойств материалов |
JP2005227010A (ja) * | 2004-02-10 | 2005-08-25 | Nichias Corp | 熱伝導率測定装置及び熱伝導率測定方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104833695B (zh) | 基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法 | |
RU2387981C1 (ru) | Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов | |
CN101788513A (zh) | 一种材料导热系数的测量装置以及测量方法 | |
CN106124078A (zh) | 一种采用双热电偶测量强瞬变流体温度的方法 | |
Zhang et al. | Determination of temperature dependent thermophysical properties using an inverse method and an infrared line camera | |
CN104215660A (zh) | 一种可同时测固体材料导热系数及热扩散率的方法及系统 | |
CN104749214A (zh) | 一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的恒温热浴装置 | |
CN203502367U (zh) | 一种瞬态平面热源法测试材料导热系数的装置 | |
Babu et al. | Measurement of thermal conductivity of fluid using single and dual wire transient techniques | |
RU2550991C1 (ru) | Способ определения теплопроводности | |
RU2568983C1 (ru) | Способ определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции в лабораторных условиях | |
Ferreira-Oliveira et al. | Thermal conductivity measurement of a polymer material using a steady-state temperature field | |
Balko et al. | Measurement and computation of thermojunction response times in the submillisecond range | |
CN107966472B (zh) | 一种高温接触热阻的无损快速测量方法 | |
Matvienko et al. | Increasing accuracy of measuring thermal conductivity of liquids by using the direct heating thermistor method | |
RU2534429C1 (ru) | Способ измерения теплофизических свойств твердых материалов методом плоского мгновенного источника тепла | |
RU2646437C1 (ru) | Способ определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции при нестационарном тепловом режиме | |
Low et al. | Thermal conductivity of soils by the needle probe method, for energy foundation applications | |
RU2551389C1 (ru) | Способ определения теплопроводности теплозащитных покрытий высокотеплопроводных материалов | |
RU2594388C2 (ru) | Способ определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных покрытий | |
RU2523090C1 (ru) | Способ определения удельной теплоемкости материалов | |
RU2613194C1 (ru) | Способ измерения теплофизических свойств анизотропных материалов методом линейного импульсного источника теплоты | |
Sparrow et al. | Novel techniques for measurement of thermal conductivity of both highly and lowly conducting solid media | |
RU2556290C1 (ru) | Способ определения теплофизических свойств твердых материалов | |
RU2762534C1 (ru) | Способ определения коэффициента теплопередачи материалов и устройство для его осуществления |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151212 |