RU2601234C1 - Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source - Google Patents

Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source Download PDF

Info

Publication number
RU2601234C1
RU2601234C1 RU2015128451/28A RU2015128451A RU2601234C1 RU 2601234 C1 RU2601234 C1 RU 2601234C1 RU 2015128451/28 A RU2015128451/28 A RU 2015128451/28A RU 2015128451 A RU2015128451 A RU 2015128451A RU 2601234 C1 RU2601234 C1 RU 2601234C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
values
value
temperature
max
Prior art date
Application number
RU2015128451/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Васильевич Пономарев
Валентина Олеговна Буланова
Александр Георгиевич Дивин
Евгений Владимирович Буланов
Галина Викторовна Шишкина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ"
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ"
Priority to RU2015128451/28A priority Critical patent/RU2601234C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2601234C1 publication Critical patent/RU2601234C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: invention relates to researches of thermophysical properties of heat-insulating materials. Proposed method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source involves, that the sample of analyzed material is made in the form of three plates, the thin plate is placed between two massive ones. Between the lower massive and thin plates the flat electric heater is placed, and thermoelectric converter is located between the upper massive and thin plates. Obtained system is preliminarily held at specified initial temperature, then electric pulse is made on the electric heater duration of which is in the range of 18≤τp≤24 sec. During the active stage of the experiment, measurement and record of temperature with constant spacing in time are performed, maximum value of temperature is determined, temperature value T′ and time interval τ′ are measured. Then the values of coefficients of thermal conductivity a op and heat conductivity λop of tested material at the specified indicative value of parameter γop= 0.5 are measured, optimum values of parameter γopt, structural dimensions
Figure 00000096
,
Figure 00000097
and optimum heat pulse duration
Figure 00000098
are found. Thickness of the middle plate is calculated as
Figure 00000099
, and then the measurements are performed, and subsequent treatment of the obtained data is made by a series of experiments, and as a result, the values of the thermal conductivity coefficients a and heat conductivity λ of the analyzed material are obtained.
EFFECT: high measurement accuracy.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов.The invention relates to the field of research of thermophysical characteristics of insulating materials.

Известен способ определения комплекса теплофизических свойств твердых материалов [Патент РФ №2125258, кл. G01N 25/18, 1999], включающий воздействие тепловыми импульсами от линейного источника на плоскую поверхность исследуемого и эталонного образцов, измерение избыточных температур в моменты подачи тепловых импульсов в точках, расположенных на фиксированных расстояниях от линии нагрева на поверхности образцов. Измеренные температуры приближают с минимальной погрешностью к рассчитанным температурам, формируемых посредством программного управления параметрами теплофизических характеристик. По идентифицированным параметрам образцов и действительным значениям характеристик эталона определяют искомые характеристики.A known method for determining the complex of thermophysical properties of solid materials [RF Patent No. 2125258, class. G01N 25/18, 1999], including exposure to thermal pulses from a linear source on a flat surface of the test and reference samples, measurement of excess temperatures at the moments of heat pulses at points located at fixed distances from the heating line on the surface of the samples. The measured temperatures are approximated with a minimum error to the calculated temperatures formed by software control of the parameters of thermophysical characteristics. The identified parameters of the samples and the actual values of the characteristics of the standard determine the desired characteristics.

Недостатками этого способа являются большая длительность и трудоемкость эксперимента, а также необходимость использования эталонного образца.The disadvantages of this method are the long duration and complexity of the experiment, as well as the need to use a reference sample.

Известен способ измерения теплофизических свойств твердых материалов методом плоского мгновенного источника тепла [Пономарев С.В. Теоретические и практические основы теплофизических измерений: монография / под ред. С.В. Пономарева. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 408 с.], заключающийся в том, что из исследуемого материала изготавливают три пластины, причем одну тонкую толщиной x0 размещают между двумя массивными, толщина которых в десять-двадцать раз превышает x0. Между нижней массивной и тонкой пластинами размещают плоский электронагреватель, изготовленный из тонкой нихромовой (манганиновой) проволоки, а датчик температуры, изготовленный из медной проволоки, располагают на расстоянии x=x0 от нагревателя. Полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре T0 не менее двух часов. Активная часть эксперимента начинается в тот момент времени, когда на электронагреватель подается короткий электрический импульс. За время действия этого импульса в единице площади плоского нагревателя выделяется количество тепла Qn. В течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры в точке x=x0, определяют максимальное значение температуры Tmax. Активную стадию эксперимента завершают при τ>τmax, где τmax - момент времени, соответствующий достижению максимального значения температуры Tmax. По полученным данным (x0, Qn, Tmax, τmax) вычисляют искомые теплофизические свойства исследуемого материала.A known method of measuring the thermophysical properties of solid materials by the method of a plane instantaneous heat source [Ponomarev S.V. Theoretical and practical foundations of thermophysical measurements: monograph / ed. S.V. Ponomareva. - M .: FIZMATLIT, 2008. -. 408], which consists in that the test material is made from three plates, one with a thin thickness x 0 is placed between two bulk thickness which is ten to twenty times greater than x 0. A flat electric heater made of thin nichrome (manganin) wire is placed between the lower massive and thin plates, and a temperature sensor made of copper wire is placed at a distance x = x 0 from the heater. The resulting system is pre-maintained at a given initial temperature T 0 for at least two hours. The active part of the experiment begins at that moment in time when a short electric pulse is supplied to the electric heater. During the action of this pulse in the unit area of a flat heater, the amount of heat Q n is released . During the active stage of the experiment, the temperature is measured and recorded at x = x 0 , and the maximum temperature T max is determined. The active stage of the experiment is completed at τ> τ max , where τ max is the time instant corresponding to the achievement of the maximum temperature T max . According to the obtained data (x 0 , Q n , T max , τ max ), the desired thermophysical properties of the material under study are calculated.

Недостатком данного способа является то, что значение момента времени τ=τmax по экспериментальным данным определяется с высокой относительной погрешностью, зачастую достигающей величины (15…20)%.The disadvantage of this method is that the value of the time instant τ = τ max according to experimental data is determined with a high relative error, often reaching a value of (15 ... 20)%.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения теплофизических свойств твердых материалов методом плоского мгновенного источника тепла [Патент РФ №2534429, кл. G01N 25/18, 2014], заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин, причем тонкую пластину толщиной x0 размещают между двумя массивными, толщина которых в десять-двадцать раз превышает x0. В плоскости x=0 между нижней массивной и тонкой пластинами размещают плоский электронагреватель, изготовленный из пермаллоевой фольги, а термоэлектрический преобразователь располагают в другой плоскости на расстоянии x=x0 от нагревателя между верхней массивной и тонкой пластинами. Полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре T0, затем на электронагреватель подают короткий электрический импульс. В течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры в точке x=x0 с постоянным шагом во времени, определяют максимальное значение температуры Tmax. После достижения максимального значения температуры Tmax активную стадию эксперимента заканчивают, когда разность температур (Ti-T0) становится меньше величины α(Tmax-T0). Затем рассчитывают значение температуры T′=β(Tmax-T0)+T0, соответствующее заданному значению параметра β, определяют четыре ближайших к T′ значения Tj-1<Tj, Tj≤T′, Tj+1>T′, Tj+2>Tj+1, вычисляют параметры b0, b1 зависимости T=b0+b1τ методом наименьших квадратов по четырем парам значений (τj-1, Tj-1), (τj, Tj), (τj+1, Tj+1), (τj+2, Tj+2), определяют момент времени τ′ как корень уравнения T′=b0+b1τ, а искомые теплофизические свойства рассчитывают по формулам:The closest technical solution is a method of measuring the thermophysical properties of solid materials by the method of a plane instantaneous heat source [RF Patent No. 2534429, class. G01N 25/18, 2014], which consists in the fact that the sample of the test material is made in the form of three plates, and a thin plate with a thickness of x 0 is placed between two massive, whose thickness is ten to twenty times greater than x 0 . A flat electric heater made of permalloy foil is placed in the x = 0 plane between the lower massive and thin plates, and the thermoelectric transducer is placed in another plane at a distance x = x 0 from the heater between the upper massive and thin plates. The resulting system is pre-maintained at a given initial temperature T 0 , then a short electrical pulse is applied to the electric heater. During the active stage of the experiment, the temperature is measured and recorded at x = x 0 with a constant step in time, and the maximum temperature T max is determined. After reaching the maximum temperature T max, the active stage of the experiment is terminated when the temperature difference (T i -T 0 ) becomes less than α (T max -T 0 ). Then calculate the temperature value T ′ = β (T max -T 0 ) + T 0 corresponding to the given value of the parameter β, determine the four values closest to T ′ T j-1 <T j , T j ≤T ′, T j + 1 > T ′, T j + 2 > T j + 1 , calculate the parameters b 0 , b 1 of the dependence T = b 0 + b 1 τ by the least squares method over four pairs of values (τ j-1 , T j-1 ), ( τ j , T j ), (τ j + 1 , T j + 1 ), (τ j + 2 , T j + 2 ), determine the instant of time τ ′ as the root of the equation T ′ = b 0 + b 1 τ, and the desired thermophysical properties are calculated by the formulas:

Figure 00000001
;
Figure 00000001
;

Figure 00000002
;
Figure 00000002
;

λ=acρ,λ = a cρ,

где a - температуропроводность исследуемого материала; cρ - объемная теплоемкость исследуемого материала; λ - теплопроводность исследуемого материала; Qn - количество тепла, мгновенно выделившееся в единице площади плоского нагревателя в момент начала активной стадии эксперимента; z′ - больший корень уравнения

Figure 00000003
; значение параметра α выбирают из диапазона 0,95…0,98; значение параметра β выбирают из диапазона 0,3…0,6, причем оптимальным является значение βопт=0,498.where a is the thermal diffusivity of the investigated material; cρ is the volumetric heat capacity of the studied material; λ is the thermal conductivity of the investigated material; Q n is the amount of heat instantly released in a unit area of a flat heater at the time the active stage of the experiment begins; z ′ is the larger root of the equation
Figure 00000003
; the value of the parameter α is selected from the range of 0.95 ... 0.98; the value of the parameter β is selected from the range 0.3 ... 0.6, and the optimum value is β opt = 0.498.

Недостатком данного способа является то, что в математической модели температурного поля внутренний источник теплоты задается в виде плоского мгновенного импульса, хотя в действительности теплота подводится к нагревателю в течение промежутка времени 0<τ<τu, где τu - длительность реального (не мгновенного) теплового импульса, подводимого к нагревателю. До настоящего времени не рассматривались вопросы о выборе оптимального значения длительности τu теплового импульса и рационального конструкционного размера x0 тонкой средней пластины образца исследуемого материала.The disadvantage of this method is that in the mathematical model of the temperature field, the internal heat source is set in the form of a flat instantaneous pulse, although in reality the heat is supplied to the heater over a period of time 0 <τ <τ u , where τ u is the duration of the real (not instantaneous) heat pulse supplied to the heater. Until now, questions have not been considered about choosing the optimal value of the thermal pulse duration τ u and the rational structural size x 0 of the thin middle plate of the sample of the material under study.

Техническая задача изобретения - повышение точности измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов за счет выбора оптимальных режимных параметров теплофизического эксперимента и рационального конструкционного размера измерительного устройства.The technical task of the invention is to increase the accuracy of measuring the thermophysical properties of insulating materials by selecting the optimal operating parameters of the thermophysical experiment and the rational structural size of the measuring device.

Техническая задача достигается тем, что в способе измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты, заключающемся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин, причем тонкую среднюю пластину толщиной x0 размещают между двумя массивными, толщина которых в десять-двадцать раз превышает x0, в плоскости x=0 между нижней массивной и тонкой средней пластинами размещают плоский электронагреватель, а термоэлектрический преобразователь располагают в другой плоскости на расстоянии x=x0 от нагревателя между верхней массивной и тонкой средней пластинами, полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре T0, затем на электронагреватель подают электрический импульс, в течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры в точке x=x0 с постоянным шагом во времени, определяют максимальное значение температуры Tmax, после достижения максимального значения температуры Tmax активную стадию эксперимента заканчивают, когда разность температур (Ti-T0) становится меньше величины α(Tmax-T0) при 0,95≤α≤0,98, рассчитывают значение температуры T′=γ(Tmax-T0)+T0, соответствующее заданному значению параметра γ, определяют четыре ближайших к T′ значения Tj-1<Tj, Tj≤T′, Tj+1>T′, Tj+2>Tj+1, вычисляют параметры b0, b1 зависимости T=b0+b1τ методом наименьших квадратов по четырем парам значений (τj-1, Tj-1), (τj, Tj), (τj+1, Tj+1), (τj+2, Tj+2), определяют момент времени τ′ как корень уравнения T′=b0+b1τ, согласно изобретению на электронагреватель подают тепловой импульс, длительность которого находится в диапазоне 18≤τu≤24 сек, определяют ориентировочные значения коэффициентов температуропроводности a op и теплопроводности λop исследуемого материала формулам:The technical problem is achieved by the fact that in the method of measuring the thermophysical properties of insulating materials by the method of a flat pulsed heat source, which consists in the fact that the sample of the studied material is made in the form of three plates, and a thin middle plate with a thickness of x 0 is placed between two massive, whose thickness is ten twenty times greater than x 0 , in the x = 0 plane a flat electric heater is placed between the lower massive and thin middle plates, and the thermoelectric converter is placed in of a different plane at a distance x = x 0 from the heater between the upper massive and thin middle plates, the resulting system is preliminarily held at a given initial temperature T 0 , then an electric impulse is applied to the electric heater, during the active stage of the experiment, temperature is measured and recorded at x = x 0 with a constant step in time, determine the maximum temperature T max , after reaching the maximum temperature T max, the active stage of the experiment is completed when the separation temperature (T i -T 0 ) becomes less than α (T max -T 0 ) at 0.95≤α≤0.98, calculate the temperature value T ′ = γ (T max -T 0 ) + T 0 corresponding to the given value of the parameter γ, determine the four values closest to T ′ T j-1 <T j , T j ≤T ′, T j + 1 > T ′, T j + 2 > T j + 1 , calculate the parameters b 0 , b 1 dependences T = b 0 + b 1 τ by the least squares method over four pairs of values (τ j-1 , T j-1 ), (τ j , T j ), (τ j + 1 , T j + 1 ), ( τ j + 2 , T j + 2 ), determine the time instant τ ′ as the root of the equation T ′ = b 0 + b 1 τ, according to the invention a heat pulse is supplied to the electric heater, the duration of which finds approximately in the range 18≤τ u ≤24 sec, determine the approximate values of the coefficients of thermal diffusivity a op and thermal conductivity λ op of the investigated material to the formulas:

Figure 00000004
;
Figure 00000004
;

Figure 00000005
,
Figure 00000005
,

где

Figure 00000006
,Where
Figure 00000006
,

qc - тепловой поток, подводимый к образцу через поверхность x=0 в течение промежутка времени 0<τ≤τu; U(τ′) - безразмерная функция, определяемая при заданном ориентировочном значении параметра γop=0,5 из уравненияq c is the heat flux supplied to the sample through the surface x = 0 for a period of time 0 <τ≤τ u ; U (τ ') - dimensionless function defined for a given value of the parameter indicative γ op = 0,5 of the equation

Figure 00000007
,
Figure 00000007
,

после чего из зависимости

Figure 00000008
after which from addiction
Figure 00000008

находят

Figure 00000009
и значение толщины
Figure 00000010
, а из зависимости
Figure 00000011
find
Figure 00000009
and thickness value
Figure 00000010
, and from the dependence
Figure 00000011

определяют значение толщины

Figure 00000012
и оптимальную длительность теплового импульса
Figure 00000013
, толщину средней пластины рассчитывают как
Figure 00000014
, а затем путем проведения серии экспериментов осуществляют измерения и последующую обработку полученных данных при найденных значениях xопт, γопт и
Figure 00000015
и в результате получают значения искомых коэффициентов температуропроводности a и теплопроводности λ исследуемого материала по формуламdetermine the thickness value
Figure 00000012
and optimal heat pulse duration
Figure 00000013
, the thickness of the middle plate is calculated as
Figure 00000014
and then, through a series of experiments, the measurements and subsequent processing of the obtained data are carried out at the found values of x opt , γ opt and
Figure 00000015
and as a result, the values of the required coefficients of thermal diffusivity a and thermal conductivity λ of the material under study are obtained by the formulas

Figure 00000016
,
Figure 00000016
,

Figure 00000017
.
Figure 00000017
.

Физическая модель измерительного устройства представляет собой ячейку, в которую помещают образец, состоящий из трех пластин: нижней, средней и верхней. Наиболее высокие требования предъявляются к точности изготовления средней пластины заданной толщины x0=xопт, грани которой должны быть выполнены строго параллельно друг другу. Между нижней и средней пластинами размещают малоинерционный плоский нагреватель, а между средней и верхней пластинами устанавливают первичный измерительный преобразователь температуры, например термопару.The physical model of the measuring device is a cell in which a sample is placed, consisting of three plates: lower, middle and upper. The highest requirements are imposed on the accuracy of manufacturing the middle plate of a given thickness x 0 = x opt , the edges of which must be made strictly parallel to each other. A low-inertia flat heater is placed between the lower and middle plates, and a primary temperature measuring transducer, for example, a thermocouple, is installed between the middle and upper plates.

Математическая модель температурного поля T(x, τ) в плоском образце (в случае использования импульсного плоского источника теплоты) может быть записана в виде:The mathematical model of the temperature field T (x, τ) in a flat sample (in the case of using a pulsed flat heat source) can be written in the form:

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

где

Figure 00000022
- коэффициент температуропроводности; q(τ, τu) - импульсный плоский источник теплоты; qc - тепловой поток, подводимый к образцу через поверхность x=0 в течение промежутка времени 0<τ≤τu; h(τ), h(τ-τu) - единичные асимметричные ступенчатые функции, задаваемые соотношениями:Where
Figure 00000022
- coefficient of thermal diffusivity; q (τ, τ u ) is a pulsed plane heat source; q c is the heat flux supplied to the sample through the surface x = 0 for a period of time 0 <τ≤τ u ; h (τ), h (τ-τ u ) are unit asymmetric step functions defined by the relations:

Figure 00000023
Figure 00000023

τu - длительность теплового импульса q(τ, τu).τ u is the duration of the heat pulse q (τ, τ u ).

Используемое в математической модели (1)-(4) соотношение (3) графически проиллюстрировано на фиг. 1.The relation (3) used in the mathematical model (1) to (4) is graphically illustrated in FIG. one.

На основе использования принципа суперпозиции решение краевой задачи (1)-(4) с учетом (5) принимает видBased on the use of the superposition principle, the solution of the boundary-value problem (1) - (4) taking into account (5) takes

Figure 00000024
Figure 00000024

где

Figure 00000025
Where
Figure 00000025

Figure 00000026
- специальная функция, представляющая собой интеграл от функции
Figure 00000027
;
Figure 00000028
- функция ошибок Гаусса.
Figure 00000026
- a special function representing the integral of the function
Figure 00000027
;
Figure 00000028
- Gaussian error function.

Для времени τ≥τu решение (6) с учетом (7) принимает видFor time τ≥τ u, solution (6), taking into account (7), takes the form

Figure 00000029
Figure 00000029

где

Figure 00000030
,
Figure 00000031
- безразмерные функции, зависящие от x, τ, τu, a, причем
Figure 00000032
.Where
Figure 00000030
,
Figure 00000031
are dimensionless functions depending on x, τ, τ u , a , and
Figure 00000032
.

График зависимости (8) также приведен на фиг. 1.A plot of dependence (8) is also shown in FIG. one.

Из фиг. 1 видно, что рассчитанное по формуле (8) изменение разности температур [T(x, τ)-T0] в момент времени τ=τmax достигает максимальное значение [Tmax-T0]=[T(x, τmax)-T0], причем этому моменту времени τ=τmax соответствует определенное значение безразмерной функции

Figure 00000033
.From FIG. 1 it can be seen that the change in temperature difference [T (x, τ) -T 0 ] calculated by formula (8) at the time instant τ = τ max reaches the maximum value [T max -T 0 ] = [T (x, τ max ) -T 0 ], and this time instant τ = τ max corresponds to a certain value of the dimensionless function
Figure 00000033
.

Разработанная методика обработки экспериментальных данных основана на том, что в рассмотрение вводится безразмерный параметрThe developed experimental data processing technique is based on the fact that a dimensionless parameter is introduced into consideration

Figure 00000034
Figure 00000034

представляющий собой отношение текущего значения разности температур [T(x, τ)-T0], имеющий место в момент времени τ, к максимальному значению [Tmax-T0]=[T(x, τmax)-T0] разности температур в момент времени τ=τmax.representing the ratio of the current value of the temperature difference [T (x, τ) -T 0 ] taking place at the time instant τ to the maximum value [T max -T 0 ] = [T (x, τ max ) -T 0 ] of the difference temperature at time τ = τ max .

Из фиг. 1 видно, что каждой величине разности температур γ·[Tmax-T0]=[T(x, τ′)-T0], то есть каждому значению безразмерного параметра γ, соответствует конкретное значение момента времени τ′ и, следовательно, безразмерной функции

Figure 00000035
.From FIG. 1 it can be seen that for each value of the temperature difference γ · [T max -T 0 ] = [T (x, τ ′) - T 0 ], that is, each value of the dimensionless parameter γ corresponds to a specific value of the time instant τ ′ and, therefore, dimensionless function
Figure 00000035
.

При численном моделировании процесса измерения на компьютере сначала по формуле (8) вычисляли значение разностей температур T(x, τ)-T0, а затем методом перебора определяли максимальное значение этой разности температур Tmax-T0, которое аналитически записывается в видеWhen numerically simulating the measurement process on a computer, first, using the formula (8), the temperature difference T (x, τ) -T 0 was calculated, and then the maximum value of this temperature difference T max -T 0 , which is analytically written as

Figure 00000036
Figure 00000036

Поделив (8) на (10), получаем уравнениеDividing (8) by (10), we obtain the equation

Figure 00000037
,
Figure 00000037
,

которое легко может быть преобразовано к видуwhich can easily be converted to

Figure 00000038
Figure 00000038

где принято во внимание, чтоwhere it is taken into account that

Figure 00000039
.
Figure 00000039
.

Если в ходе проведения эксперимента определена величина [Tmax-T0], то (при заранее заданном значении безразмерного параметра γ) путем решения уравнения (11) находят значение безразмерной функцииIf the value of [T max -T 0 ] is determined during the experiment, then (for a predetermined value of the dimensionless parameter γ), by solving equation (11), the value of the dimensionless function

Figure 00000040
.
Figure 00000040
.

Из последнего соотношения получаем формулу для вычисления искомого значения коэффициента температуропроводностиFrom the last relation we obtain the formula for calculating the desired value of the thermal diffusivity

Figure 00000041
Figure 00000041

а с учетом соотношения (8) получаем формулу для вычисления теплопроводностиand taking into account relation (8), we obtain the formula for calculating the thermal conductivity

Figure 00000042
Figure 00000042

где

Figure 00000043
.Where
Figure 00000043
.

После получения формул (12), (13) определим, при каких значениях безразмерного параметра γ будут иметь место минимальные погрешности измерения искомых значений a и λ коэффициентов температуропроводности и теплопроводности.After obtaining formulas (12), (13), we determine at what values of the dimensionless parameter γ there will be minimal measurement errors for the sought values of a and λ of the thermal diffusivity and thermal conductivity coefficients.

В соответствии с рекомендациями теории погрешностей, после логарифмирования зависимости (12) и последующего определения дифференциала от левой и правой частей, получаем:In accordance with the recommendations of the theory of errors, after the logarithm of dependence (12) and the subsequent determination of the differential from the left and right sides, we obtain:

Figure 00000044
Figure 00000044

Проведя принятую в теории погрешностей:Having made the accepted in the theory of errors:

- замену дифференциалов da≈Δa, dx≈Δx, dτ′≈Δτ′, dU(τ′)≈ΔU(τ′) на абсолютные погрешности Δa, Δx, Δτ′, ΔU(τ′);- replacement of the differentials d a ≈Δ a , dx≈Δx, dτ′≈Δτ ′, dU (τ ′) ≈ΔU (τ ′) by the absolute errors Δ a , Δx, Δτ ′, ΔU (τ ′);

- принимая во внимание, что дифференциал константы d4=0;- taking into account that the differential of the constant is d4 = 0;

- заменив знаки "-" знаками "+" в (14), получаем выражение для вычисления так называемой предельной оценки относительной погрешности измерения коэффициента температуропроводности

Figure 00000045
или (δa)пр=2δx+δτ′+2δU(τ′), где
Figure 00000046
,
Figure 00000047
,
Figure 00000048
,
Figure 00000049
- относительные погрешности определения соответствующих физических величин a, x, τ′, U(τ′).- replacing the signs “-” with the signs “+” in (14), we obtain an expression for calculating the so-called limiting estimate of the relative error in measuring the thermal diffusivity
Figure 00000045
or (δ a ) pr = 2δx + δτ ′ + 2δU (τ ′), where
Figure 00000046
,
Figure 00000047
,
Figure 00000048
,
Figure 00000049
- relative errors in determining the corresponding physical quantities a , x, τ ′, U (τ ′).

После перехода от предельной (δa)пр к среднеквадратичной оценке (δa)ск погрешности определения коэффициента температуропроводности получаемAfter the transition from the limiting (δ a ) pr to the root mean square estimate (δ a ) ck of the error in determining the thermal diffusivity coefficient, we obtain

Figure 00000050
Figure 00000050

Рассмотрим подробнее порядок определения погрешностей, входящих в последнее выражение (15). Принимая во внимание, что значение момента времени τ′ зависит от безразмерного параметра γ, то есть τ′=τ′(γ), получаемLet us consider in more detail the procedure for determining the errors included in the last expression (15). Taking into account that the value of the time instant τ ′ depends on the dimensionless parameter γ, i.e., τ ′ = τ ′ (γ), we obtain

Figure 00000051
Figure 00000051

Для определения абсолютной погрешности Δγ выполним (по аналогии с изложенным выше) преобразования формулы (9) и получимTo determine the absolute error Δγ, we perform (by analogy with the above) transformations of formula (9) and obtain

Figure 00000052
или
Figure 00000052
or

Figure 00000053
Figure 00000053

где ΔT - абсолютная погрешность измерения разности температур; δ(Tmax-T0) - относительная погрешность измерения максимального значения разности температур (Tmax-T0); Δγ, (δγ)ск - абсолютная и среднеквадратичная относительная погрешности определения безразмерного параметра γ по экспериментально измеренным значениям разностей температур [T(x, τ′)-T0] и [Tmax-T0].where ΔT is the absolute error of measuring the temperature difference; δ (T max -T 0 ) is the relative error of measuring the maximum value of the temperature difference (T max -T 0 ); Δγ, (δγ) ck is the absolute and mean square relative errors in determining the dimensionless parameter γ from the experimentally measured values of the temperature differences [T (x, τ ′) - T 0 ] and [T max -T 0 ].

Входящая в (15) относительная погрешность δτ′ определения момента времени τ′ также связана с погрешностями измерения разностей температур [T(x, τ′)-T0]. Из соотношения

Figure 00000054
получаемIncluded in (15), the relative error δτ ′ of determining the instant of time τ ′ is also associated with errors in measuring temperature differences [T (x, τ ′) - T 0 ]. From the relation
Figure 00000054
we get

Figure 00000055
Figure 00000055

где Δτ′, δτ′ - абсолютная и относительная погрешности определения момента времени τ′, соответствующего заданному значению безразмерного параметра γ.where Δτ ′, δτ ′ are the absolute and relative errors in determining the instant of time τ ′ corresponding to a given value of the dimensionless parameter γ.

Подставив (16), (17) в формулу (15), получаем соотношениеSubstituting (16), (17) into formula (15), we obtain the relation

Figure 00000056
Figure 00000056

использованное в дальнейших расчетах с целью выявления оптимального значения безразмерного параметра γ (при измерении коэффициента температуропроводности a).used in further calculations to determine the optimal value of the dimensionless parameter γ (when measuring the thermal diffusivity a ).

При выполнении работ (с целью получить соотношение для вычисления среднеквадратичной оценки относительной погрешности (δλ)ск измерения теплопроводности λ) с учетом того, что при каждом значении длительности τu теплового импульса значения: 1) момента времени τ′=τ′(γ); 2) безразмерной функции U(τ′(γ))=U′(γ) зависят от безразмерного параметра γ, формула (13) для вычисления теплопроводности λ была представлена в видеWhen performing work (in order to obtain a ratio for calculating the mean-square estimate of the relative error (δλ) ck of measuring the thermal conductivity λ), taking into account that for each value of the duration of the thermal pulse τ u, the values are: 1) time instant τ ′ = τ ′ (γ); 2) the dimensionless functions U (τ ′ (γ)) = U ′ (γ) depend on the dimensionless parameter γ, formula (13) for calculating the thermal conductivity λ was presented in the form

Figure 00000057
Figure 00000057

где F(γ)≡Ф[U(τ′(γ)), U(τ′(γ)-τu)].where F (γ) ≡ Ф [U (τ (γ)), U (τ (γ) -τ u )].

В результате преобразований, выполненных на основе теории погрешностей по аналогии с изложенными выше действиями с формулами (12)-(18), на основе формулы (19) была получена зависимость для вычисления среднеквадратичной оценки относительных погрешностей (δλ)ск измерения теплопроводности, имеющая вид:As a result of the transformations performed on the basis of the theory of errors by analogy with the actions with the formulas set forth above (12) - (18) based on the formula (19) was obtained dependence for calculating mean square estimation of relative errors (δλ) ck thermal conductivity measurement, having the form:

Figure 00000058
Figure 00000058

В процессе расчетов стало очевидно, что относительные среднеквадратичные погрешности (δλ)ск измерения теплопроводности λ дополнительно зависят от длительности τu теплового импульса.In the process of calculations, it became apparent that the relative root mean square errors (δλ) ck of measuring the thermal conductivity λ additionally depend on the duration τ u of the heat pulse.

При осуществлении измерений желательно обеспечить выполнение требования о подведении к нагревателю такой величины мощности P, при которой достигаемая в момент времени τ=τmax в ходе каждого эксперимента максимальная разность температур [T(x, τmax)-T0]=[Tmax-T0] на расстоянии x0 от нагревателя остается примерно одинаковой и находится в определенных пределах, что необходимо по следующим причинам:When making measurements, it is desirable to ensure that the requirement for supplying a heater with a power value P at which the maximum temperature difference reached at a time instant τ = τ max during each experiment is [T (x, τ max ) -T 0 ] = [T max - T 0 ] at a distance x 0 from the heater remains approximately the same and is within certain limits, which is necessary for the following reasons:

- если эта максимальная разность [Tmax-T0] мала, то относительные погрешности измерения значений разностей температур [T(x, τ)-T0] будут слишком большими, что может привести к росту относительных погрешностей (δa)ск, (δλ)ск измерения искомых теплофизических свойств (ТФС);- if this maximum difference [T max -T 0 ] is small, then the relative errors in the measurement of temperature differences [T (x, τ) -T 0 ] will be too large, which can lead to an increase in the relative errors (δ a ) ck , ( δλ) ck of the measurement of the desired thermophysical properties (TFS);

- если же эта максимальная разность [Tmax-T0] окажется слишком большой, то не будет выполнено предположение о том, что процессы переноса теплоты в образце описываются линейной математической моделью (1)-(4), что опять же приведет к возрастанию результирующих погрешностей (δa)ск, (δλ)ск измерения искомых. ТФС из-за нелинейностей, не учитываемых линейной краевой задачей (1)-(4).- if this maximum difference [T max -T 0 ] is too large, then the assumption that the heat transfer processes in the sample are described by the linear mathematical model (1) - (4) will not be fulfilled, which again will lead to an increase in the resulting the errors (δ a ) ck , (δλ) ck of the measurement sought. TFS due to nonlinearities not taken into account by the linear boundary value problem (1) - (4).

Для выполнения этого требования (что [Tmax-T0]≈const) при каждом значении длительности τu теплового импульса плоский нагреватель должен обеспечивать создание теплового потока

Figure 00000059
, при котором к единице поверхности внутри образца в каждом эксперименте подводится постоянное количество теплотыTo fulfill this requirement (that [T max -T 0 ] ≈const) for each value of the duration of the thermal pulse τ u the flat heater must ensure the creation of a heat flow
Figure 00000059
in which a constant amount of heat is applied to the surface unit inside the sample in each experiment

Figure 00000060
Figure 00000060

Выше использованы обозначения:

Figure 00000061
- тепловой поток, подводимый нагревателем мощности P и площадью S к нижней стороне средней пластины образца в течение промежутка времени 0≤τ≤τu.The above notation is used:
Figure 00000061
- heat flow supplied by the heater with power P and area S to the lower side of the middle plate of the sample for a period of time 0≤τ≤τ u .

Проведенные численные расчеты и экспериментальные исследования показали, что при исследовании образцов теплоизоляционных материалов с толщиной средней пластины 2.5≤x≤5 мм для получения разности температур [Tmax-T0]=3…7°C суммарное количество теплоты Qn следует поддерживать в пределах

Figure 00000062
.Numerical calculations and experimental studies showed that when studying samples of heat-insulating materials with an average plate thickness of 2.5≤x≤5 mm to obtain a temperature difference [T max -T 0 ] = 3 ... 7 ° C, the total amount of heat Q n should be kept within
Figure 00000062
.

Рассмотрим подробнее вычисление составляющей погрешности δqc, входящей в формулу (20). Из изложенного выше следуетLet us consider in more detail the calculation of the error component δq c , which is part of formula (20). From the above it follows

Figure 00000063
Figure 00000063

т.е.

Figure 00000064
. При этом электрическую мощность P, подведенную к плоскому нагревателю, следует выбирать из соотношенияthose.
Figure 00000064
. In this case, the electric power P supplied to the flat heater should be selected from the relation

Figure 00000065
Figure 00000065

Для обеспечения требования, что [T(x, τmax)-T0]=[Tmax-T0]≈const, при Qn=const и S=const, величину электрической мощности, подведенную к нагревателю, следует выбирать по формуле (23).To ensure the requirement that [T (x, τ max ) -T 0 ] = [T max -T 0 ] ≈const, for Q n = const and S = const, the amount of electric power supplied to the heater should be selected by the formula (23).

Принимая во внимание, что наиболее точно измеряемой физической величиной в наши дни является время τ, будем считать, что длительность τu теплового импульса задается с высокой точностью, а относительная погрешность заданного промежутка времени 0<τ≤τu стремится к нулю, т.е. δτu≈0%. Тогда для вычисления относительной погрешности δqc, входящей в формулу (20), воспользуемся соотношением (22).Taking into account that the most accurately measured physical quantity today is time τ, we assume that the duration τ u of the heat pulse is set with high accuracy, and the relative error of a given time interval 0 <τ≤τ u tends to zero, i.e. . δτ u ≈0%. Then, to calculate the relative error δq c , which is part of formula (20), we use the relation (22).

После логарифмирования (22), определения дифференциалов от левой и правой частей и выполнения других рекомендаций теории погрешностей получаем формулуAfter logarithm (22), determination of the differentials from the left and right sides, and other recommendations of the theory of errors, we obtain

Figure 00000066
Figure 00000066

в которой величину P(τu) вычисляли по формуле (23).in which the value of P (τ u ) was calculated by the formula (23).

После подстановки (24) в (20) получаемAfter substituting (24) into (20) we obtain

Figure 00000067
Figure 00000067

При вычислениях по формуле (25) принимали ΔP=0,5 Вт, а погрешность измерения площади S нагревателя считали равной δS=0,5%.In the calculations according to formula (25), ΔP = 0.5 W was taken, and the error in measuring the area S of the heater was considered equal to δS = 0.5%.

С использованием полученных формул (18) и (25) были рассчитаны зависимости среднеквадратичных относительных погрешностей (δa)ск, (δλ)ск, при длительности теплового импульса τu=10 с. При этом в расчетах были использованы следующие исходные данные: P=55 Вт,

Figure 00000068
,
Figure 00000069
, ΔP=0,25 Вт; Δx=0,1 мм; ΔT=0,05 K, δS=0,5%.Using the obtained formulas (18) and (25), the dependences of the mean square relative errors (δ a ) ck , (δλ) cc were calculated for a heat pulse duration of τ u = 10 s. In this case, the following initial data were used in the calculations: P = 55 W,
Figure 00000068
,
Figure 00000069
, ΔP = 0.25 W; Δx = 0.1 mm; ΔT = 0.05 K, δS = 0.5%.

На фиг. 2 показаны зависимости среднеквадратичных относительных погрешностей (δa)ск и (δλ)ск от безразмерного параметра γ при различных значениях расстояния x0 от места действия плоского импульсного источника теплоты до плоскости, в которой размещена термопара, измеряющая разность температур [T(x, τ′)-T0].In FIG. Figure 2 shows the dependences of the mean square relative errors (δ a ) ck and (δλ) ck on the dimensionless parameter γ for various values of the distance x 0 from the place of action of the plane pulsed heat source to the plane in which the thermocouple measuring the temperature difference is located [T (x, τ ′) -T 0 ].

В процессе выполненных исследований выяснилось, что минимальные значения относительных погрешностей (δa)ск, (δλ)ск зависят не только от величины безразмерного параметра γ, но и от значения расстояния x0 от плоскости размещения нагревателя до плоскости установки термопары, измеряющей разность температур [T(x, τ′)-T0]. В связи с этим были построены линии равных уровней погрешностей на плоскости с координатами γ и x0 при нескольких значениях длительности теплового импульса τu, представленные на фиг. 3 (при τu=20 с) и фиг. 4 (при τu=5 с).In the course of the studies, it turned out that the minimum values of the relative errors (δ a ) ck , (δλ) ck depend not only on the dimensionless parameter γ, but also on the value of the distance x 0 from the plane of the heater to the plane of the thermocouple measuring the temperature difference [ T (x, τ ′) - T 0 ]. In this regard, lines of equal error levels were plotted on the plane with coordinates γ and x 0 for several values of the thermal pulse duration τ u shown in FIG. 3 (at τ u = 20 s) and FIG. 4 (at τ u = 5 s).

Представленные на фиг. 3 и фиг. 4 результаты вычислений показывают, что (при использованных в расчетах исходных данных) минимальные значения среднеквадратичных относительных погрешностей (δa)ск измерения коэффициента температуропроводности a достигаются при значениях безразмерного параметра в диапазоне 0,45<γ≤0,47 и при значениях основного конструкционного размера измерительного устройства в пределах 4,0 мм<x0≤4,5 мм.Presented in FIG. 3 and FIG. 4, the calculation results show that (with the initial data used in the calculations), the minimum values of the mean square relative errors (δ a ) ck of measuring the thermal diffusivity a are achieved with dimensionless parameters in the range 0.45 <γ≤0.47 and with the values of the main structural size measuring device within 4.0 mm <x 0 ≤4.5 mm.

В то же время минимальные значения среднеквадратичных относительных погрешностей (δλ)ск измерения теплопроводности λ имеют место при 0,95<γ≤1,0 и 2,8 мм<x0≤3,0 мм.At the same time, the minimum values of the mean square relative errors (δλ) ck for measuring the thermal conductivity λ take place at 0.95 <γ≤1.0 and 2.8 mm <x 0 ≤3.0 mm.

Таким образом:In this way:

1) для достижения минимальных значений погрешности (δa)ск при измерении коэффициента температуропроводности a следует использовать образец исследуемого материала с толщиной пластины 4,2 мм<x0≤4,5 мм;1) to achieve the minimum values of the error (δ a ) ck when measuring the thermal diffusivity a , a sample of the studied material with a plate thickness of 4.2 mm <x 0 ≤4.5 mm should be used;

2) для обеспечения минимальных значений погрешности (δλ)ск при измерении теплопроводности λ требуется использовать образец с толщиной средней пластины 2,8 мм<x0≤3,0 мм.2) to ensure the minimum values of the error (δλ) ck when measuring the thermal conductivity λ, it is necessary to use a sample with a thickness of the middle plate of 2.8 mm <x 0 ≤3.0 mm.

Если же необходимо одновременно осуществить измерение коэффициента температуропроводности a и теплопроводности λ в одном эксперименте, то толщину x0 средней пластины образца из исследуемого материала следует выбирать из диапазона 3,5 мм<x0≤3,8 мм, что обеспечивает относительные погрешности измерений порядка (δa)ск≈(6,0…7,1)% и (δλ)ск≈(5,2…6,4)%.If it is necessary to simultaneously measure the coefficient of thermal diffusivity a and thermal conductivity λ in one experiment, then the thickness x 0 of the middle plate of the sample from the studied material should be selected from the range of 3.5 mm <x 0 ≤3.8 mm, which ensures relative measurement errors of the order of ( δ a ) ck ≈ (6.0 ... 7.1)% and (δλ) ck ≈ (5.2 ... 6.4)%.

Для определения значений длительности τu теплового импульса, обеспечивающих достижение минимальных значений относительных погрешностей (δa)ск, (δλ)ск и среднеарифметических значений погрешностей

Figure 00000070
измерения ТФС a и λ, были выполнены расчеты по формулам (18) и (25), в результате которых можно сделать вывод, что при увеличении длительности τu теплового импульса: 1) погрешность (δλ)ск монотонно возрастает; 2) погрешность (δa)ск убывает; 3) однако среднеарифметическое значение этих погрешностей
Figure 00000071
принимает минимальные значения при 18<τu<24.To determine the values of the duration of the u thermal pulse, ensuring the achievement of the minimum values of the relative errors (δ a ) ck , (δλ) ck and the arithmetic mean of the errors
Figure 00000070
measurements of the TPS a and λ, calculations were performed according to formulas (18) and (25), as a result of which we can conclude that with an increase in the duration of the thermal pulse τ u : 1) the error (δλ) c monotonically increases; 2) the error (δ a ) ck decreases; 3) however, the arithmetic mean value of these errors
Figure 00000071
takes minimum values at 18 <τ u <24.

Таким образом, при измерении теплофизических свойств исследуемого теплоизоляционного материала следует поступить следующим образом:Thus, when measuring the thermophysical properties of the investigated thermal insulation material, one should do the following:

- путем проведения предварительных измерений надо определить ориентировочные значения коэффициента температуропроводности a op и теплопроводности λop исследуемого материала;- by conducting preliminary measurements, it is necessary to determine the approximate values of the coefficient of thermal diffusivity a op and thermal conductivity λ op of the investigated material;

- осуществить расчеты (при найденных значениях a op и λop) с целью определения (уточнения) оптимальных значений параметра γопт и конструкционных размеров

Figure 00000072
и
Figure 00000073
средней пластины, применяемой для измерения коэффициента температуропроводности a и теплопроводности λ;- to carry out calculations (at the found values of a op and λ op ) in order to determine (clarify) the optimal values of the parameter γ opt and structural dimensions
Figure 00000072
and
Figure 00000073
the middle plate used to measure the coefficient of thermal diffusivity a and thermal conductivity λ;

- принять толщину средней пластины

Figure 00000074
, и рассчитать значение длительности τu теплового импульса, обеспечивающего достижение δср=min;- accept the thickness of the middle plate
Figure 00000074
, and calculate the value of the duration τ u of the heat pulse, ensuring the achievement of δ sr = min;

- изготовить образец с одной средней пластиной толщиной

Figure 00000075
;- make a sample with one middle plate thickness
Figure 00000075
;

- путем проведения серии экспериментов (с изготовленным образцом) осуществить измерения и последующую обработку полученных данных (при найденных значениях γ=γопт и

Figure 00000076
) и в результате получить значения искомых коэффициента температуропроводности a и теплопроводности λ исследуемого материала.- by conducting a series of experiments (with the fabricated sample), carry out measurements and subsequent processing of the obtained data (at the found values γ = γ opt and
Figure 00000076
) and as a result, obtain the values of the required coefficient of thermal diffusivity a and thermal conductivity λ of the material under study.

Claims (1)

Способ измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты, заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин, причем тонкую среднюю пластину толщиной x0 размещают между двумя массивными, толщина которых в десять-двадцать раз превышает х0, в плоскости x=0 между нижней массивной и тонкой средней пластинами размещают плоский электронагреватель, а термоэлектрический преобразователь располагают в другой плоскости на расстоянии x=х0 от нагревателя между верхней массивной и тонкой средней пластинами, полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре T0, затем на электронагреватель подают электрический импульс, в течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры в точке x=х0 с постоянным шагом во времени, определяют максимальное значение температуры Tmax, после достижения максимального значения температуры Tmax активную стадию эксперимента заканчивают, когда разность температур (Ti0) становится меньше величины α(Tmax-T0) при 0,95≤α≤0,98, рассчитывают значение температуры T′=γ(Tmax-T0)+T0, соответствующее заданному значению параметра γ, определяют четыре ближайших к T′ значения Tj-1<Tj, Tj≤T′, Tj+1>T′, Tj+2>Tj+1, вычисляют параметры b0, b1 зависимости T=b0+b1τ методом наименьших квадратов по четырем парам значений (τj-1, Tj-1), (τj, Tj), (τj+1, Tj+1), (τj+2, Tj+2), определяют момент времени τ′ как корень уравнения T′=b0+b1τ, отличающийся тем, что на электронагреватель подают тепловой импульс, длительность которого находится в диапазоне 18≤τu≤24 сек, определяют ориентировочные значения коэффициентов температуропроводности a ор и теплопроводности λор исследуемого материала по формулам:
Figure 00000077

Figure 00000078

где
Figure 00000079

qc - тепловой поток, подводимый к образцу через поверхность x=0 в течение промежутка времени 0<τ≤τu; U(τ′) - безразмерная функция, определяемая при заданном ориентировочном значении параметра γор=0,5 из уравнения
Figure 00000080
,
после чего из зависимости
Figure 00000081

находят
Figure 00000082
и значение толщины
Figure 00000083
, а из зависимости
Figure 00000084
определяют значение толщины
Figure 00000085
и оптимальную длительность теплового импульса
Figure 00000086
, толщину средней пластины рассчитывают как
Figure 00000087
, а затем путем проведения серии экспериментов осуществляют измерения и последующую обработку полученных данных при найденных значениях xопт, γопт и
Figure 00000088
и в результате получают значения искомых коэффициентов температуропроводности а и теплопроводности λ исследуемого материала по формулам
Figure 00000089

Figure 00000090
A method of measuring the thermophysical properties of heat-insulating materials by the method of a flat pulsed heat source, which consists in the fact that the sample of the studied material is made in the form of three plates, and a thin middle plate with a thickness of x 0 is placed between two massive, whose thickness is ten to twenty times greater than x 0 , a plane x = 0 between the lower massive and thin middle plates place a flat electric heater, and the thermoelectric converter is placed in another plane at a distance x = x 0 from the heat between the upper massive and thin middle plates, the resulting system is preliminarily held at a given initial temperature T 0 , then an electric pulse is supplied to the electric heater, during the active stage of the experiment, the temperature is measured and recorded at x = x 0 with a constant time step, determine maximum temperature value T max, after achieving the maximum temperature T max active step experiment terminated when the temperature difference (T i -T 0) becomes smaller in masks α (T max -T 0) for 0,95≤α≤0,98, calculated temperature value T '= γ (T max -T 0) + T 0 corresponding to the specified value of the parameter γ, determined by four closest to T' values of T j-1 <T j , T j ≤T ′, T j + 1 > T ′, T j + 2 > T j + 1 , calculate the parameters b 0 , b 1 of the dependence T = b 0 + b 1 τ by the method least squares over four pairs of values (τ j-1 , T j-1 ), (τ j , T j ), (τ j + 1 , T j + 1 ), (τ j + 2 , T j + 2 ), determined at time τ 'as a root of the equation T' = b 0 + b 1 τ, characterized in that the electric heater is supplied to the thermal pulse, the duration of which is in the range 18≤τ u ≤24 sec, determined on ientirovochnye values of the coefficients of thermal diffusivity and thermal conductivity of a op op λ of the material by the formulas:
Figure 00000077

Figure 00000078

Where
Figure 00000079

q c is the heat flux supplied to the sample through the surface x = 0 for a period of time 0 <τ≤τ u ; U (τ ′) is a dimensionless function determined for a given approximate value of the parameter γ op = 0.5 from the equation
Figure 00000080
,
after which from addiction
Figure 00000081

find
Figure 00000082
and thickness value
Figure 00000083
, and from the dependence
Figure 00000084
determine the thickness value
Figure 00000085
and optimal heat pulse duration
Figure 00000086
, the thickness of the middle plate is calculated as
Figure 00000087
and then, through a series of experiments, the measurements and subsequent processing of the obtained data are carried out at the found values of x opt , γ opt and
Figure 00000088
and as a result, the values of the required coefficients of thermal diffusivity a and thermal conductivity λ of the material under study are obtained by the formulas
Figure 00000089

Figure 00000090
RU2015128451/28A 2015-07-13 2015-07-13 Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source RU2601234C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015128451/28A RU2601234C1 (en) 2015-07-13 2015-07-13 Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015128451/28A RU2601234C1 (en) 2015-07-13 2015-07-13 Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2601234C1 true RU2601234C1 (en) 2016-10-27

Family

ID=57216433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015128451/28A RU2601234C1 (en) 2015-07-13 2015-07-13 Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2601234C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2826483C1 (en) * 2024-05-17 2024-09-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source using large amount of experimental data

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1124209A1 (en) * 1983-02-09 1984-11-15 Тамбовский институт химического машиностроения Method and device for non-destructive checking of material thermal physical characteristics
JP2005227010A (en) * 2004-02-10 2005-08-25 Nichias Corp Heat conductivity measuring instrument and heat conductivity measuring method
RU2324164C1 (en) * 2006-10-10 2008-05-10 Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) Method of identifying system of thermo-physical properties of hard materials
RU2374631C2 (en) * 2008-01-21 2009-11-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method of determining system of thermophysical properties of solid materials
RU2530473C1 (en) * 2013-04-23 2014-10-10 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) Device and method for complex determination of basic thermophysical properties of solid body
RU2534429C1 (en) * 2013-06-13 2014-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ" Measurement method of thermal and physical properties of solid materials by method of instantaneous flat heat source

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1124209A1 (en) * 1983-02-09 1984-11-15 Тамбовский институт химического машиностроения Method and device for non-destructive checking of material thermal physical characteristics
JP2005227010A (en) * 2004-02-10 2005-08-25 Nichias Corp Heat conductivity measuring instrument and heat conductivity measuring method
RU2324164C1 (en) * 2006-10-10 2008-05-10 Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) Method of identifying system of thermo-physical properties of hard materials
RU2374631C2 (en) * 2008-01-21 2009-11-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method of determining system of thermophysical properties of solid materials
RU2530473C1 (en) * 2013-04-23 2014-10-10 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) Device and method for complex determination of basic thermophysical properties of solid body
RU2534429C1 (en) * 2013-06-13 2014-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ" Measurement method of thermal and physical properties of solid materials by method of instantaneous flat heat source

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2826483C1 (en) * 2024-05-17 2024-09-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source using large amount of experimental data

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. A numerical study on the influence of insulating layer of the hot disk sensor on the thermal conductivity measuring accuracy
CN108008022B (en) Ultrasonic wave propagation speed measuring method along with temperature change
Castillo et al. Identification of insulating materials thermal properties by inverse method using reduced order model
RU2601234C1 (en) Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source
RU2374631C2 (en) Method of determining system of thermophysical properties of solid materials
RU2613194C1 (en) Method of measuring thermal properties of anisotropic materials by linear impulse of heat source
RU2534429C1 (en) Measurement method of thermal and physical properties of solid materials by method of instantaneous flat heat source
RU2284030C2 (en) Method for evaluating group of solid-material thermal properties
RU2826483C1 (en) Method of measuring thermophysical properties of heat-insulating materials by flat pulse heat source using large amount of experimental data
RU2664897C1 (en) Method of temperature sensor thermal time constant measuring
RU2478939C1 (en) Method of measuring thermal diffusivity of heat-insulating materials by regular third kind mode technique
RU2523090C1 (en) Method of determining specific heat capacity of materials
RU2551389C1 (en) Method of determining thermal conductivity of heat-shielding coatings of highly thermally conductive materials
CN107966472A (en) A kind of lossless method for fast measuring of high temperature contact thermal resistance
Boháč et al. Measurement of thermophysical properties of mortar filled by polymer filaments by pulse transient technique
RU2303777C2 (en) Method of determining thermophysical properties of solids
RU2328724C1 (en) Method for identification of solid materials thermal properties complex
RU2324164C1 (en) Method of identifying system of thermo-physical properties of hard materials
RU2324165C1 (en) Method of identifying system of thermo-physical properties of hard materials
RU2550991C1 (en) Method for determining heat conductivity
RU2785084C1 (en) Method for determining thermal diffusivity and thermal conductivity coefficient
RU2018117C1 (en) Method of complex determining of thermophysical properties of materials
RU2788562C1 (en) Method for determining the complex of thermophysical characteristics of solid construction materials
RU2736322C2 (en) Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof
RU2276781C1 (en) Method for determining heat conductivity of materials

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170714