SU1165957A1 - Способ определени теплофизических характеристик плоских образцов материалов и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ определени  теплофизических характеристик плоских образцов материалов в квазистационарном режиме, включающий измерение плотностей теплового потока, проход щего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца, и температур этих поверхностей, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  погрешности определени  объемной теплоемкости и коэффициента температуропроводности, дополнительно измер ют изменени  плотностей теплового потока по толщине образцов сравнени  с известными теплофи- зическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхност ми исследуемого образца, а искомые теплофизические характеристики вычисл ют по формулам cj а, сг . ai-4z - . ( 2&T Y с, LV. сJ объемна  теплоемкость исгде cp следуемого образца, равна  произведению массовой теплоемкости С и плотности Л; О коэффициент температуропроводности; коэффициент теплопроводнос-Л сл ти; U Т - перепад температур между противоположными рабочими поверхност ми образца; 0.,|2 плотности теплового потока, проход щего через противо положные рабочие поверхносо ти исследуемого образца; сд со сд UQjiuQ.- изменени  плотности тепло- вого потока, происход щие по толщине образцов сравне-; ни  с известными теплофи-ч , зическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхност ми исследуемого образца; C,C,.R константы, учитывакнцие из , вестные теплофизические свойства образцов сравнени ; h - толщина исследуемого образца . 2. Устройство дл  определени  тепшофизических характеристик плоских

Description

образцов материалов, включающее два соосно и последовательно расположенных блока программированного изменени  температуры исследуемого образца , на каждом из которых на обращенных одна к другой поверхност х уста новлен тепломер с датчиком температуры поверхности тепломера, контактирующий с исследуемым образцом, .отличающеес  тем, что, с целью уменьшени  погрешностей определени  объемной теплоемкости и коэффициента температуропроводности, в устройство дополнительно введены тепломеры, 1адентичные по теплофизическим свойствам и конструктивным параметрам имеющимс  /епломерам с датчиками температуры и расположенные между блоками .программированного изменени  температуры и соотвествую .щими тепломерами с датчиками температуры , причем дл  каждой пары контактирующих между собой тепломеров эффективна  теплоемкость сло , заключенного между серединными сече ни ми дополнительно введенного тепломера и имеющегос  тепломера с датчиком температуры, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективна  теплоемкость сло , заключенного между серединным се-в чением имеющегос .тепломера с датчиком температуры и его поверхностью , контактирующей с рабочей поверхностью исследуемого об|разца .

. ,

Изобретение относитс  к теплофизическому приборостроению и предназначено дл  определени  теплофизических характеристик .(ТФХ) твердых неметаллических материалов в квазистационарном тепловом режиме , на основе измерений тепловых потоков

Известны способ и устройство дл  определени  коэффициентов теплопроводности и объемной теплоемкости стройматериалов. Способ основан на измерении температуры поверхности исследуемого материала в услови х квазистационарного теплового режима , заключающийс  в том, что образ ,цы исследуемого материала в виде четьфех плоских плиток укладывают один на другой и помещают в теплоизол ционную камеру вместе с про- ложенными между ними электронагре- нагел ми одинаковой мощности, питаемыми от источника посто нного тока . Кроме того, между средними образцами устанавливают дифференциальную термопару и термопару с посго нной температурой холодного спа . Но истечении времени, требуемого дл  установлени  квазистационарного режима , регистрируют показани  термопар и определ ют искомые ТФХ, т.е. теплопроводность и объемную те тлоемкость , равную произведению массовой

теплоемкости и плотности, по следующим формулам

7v 0,Sc bb-t ,

где q - плотность теплового потока, восприн того поверхност ми средних образцов в момент и определ ема  по мощности электронагревател ; h - толщина образцов (дл  всех

одинакова );

&t - перепад температур, определ емый по показани м дифференциальной термопары; и - скорость изменени  температуры , прин та  равной отношению (.-Т,)-(, в котором и T-g значени  температуры какого-либо сечени  образца, например поверхности , соответственно в моменты времени , и С. Устройство, реализуклцее этот способ , включает теплоизол ционную камеру , в которую помещают пакет из образцов , электронагревателей и системы термопар .

Недостатками способа и устройства  вл ютс  большие погрешности при определении искомых ТФХ, которые обусловлены невозможностью обеспечить при изготовлении строгую идентичность 3 четырех образцов, что приводит к н одинаковой плотности теплового пот ка через средние образцы и неравен ву нулю тепловых потоков через кра ние образцы. Наибольший вклад в общую погреш ность вносит определение скорости изменени  температуры. Наиболее близким к изобретению техническим решением  вл етс  спос определени  ТФХ материалов на одно плоском образце, основанный на изм рении в квазистационарном режиме плотности теплового потока, темпер туры и последующем определении ско рости изменени  тег пературы и закл чающийс  в том, что тепловой поток пропускают через исследуемый образ в направлении, перпендикул рном ег плоским поверхност м, нагрева  обр ;зец при условии посто нной разност температур между его поверхност ми 2 . Искомые ТФХ определ ют по следую щим формулам: т--.(-}- , 0 г (cp)-i (3) где Я.,Ч2 плотности теплового потока на двух противоположных рабочих поверхност х образца, при этом индекс 1 относит с  к гор чей поверхности; ut - перепад температур между поверхност ми образца; и - скорость изменени  Температуры; R - константа устройства, реализующего известный способ, учитывающа  термическое сопротивление в месте заделки спаев термопар; С - втора  константа устройства , учитывающа  собственную теплоемкость тепломеров, используемых дл  измерени  плотности теплового потока. 574 Недостатком способа  вл етс  больша  погрешность определени  скорости изменени  температуры образца в кваэистационарном тепловом режиме . Например, при скорости изменени  температуры 60 К/ч, интервал отсчета в одну минуту и при условии измеЕ ени  температур с погрешностью не хуже О,1 К погрешность определени  указанной скорости изменени  температур может в отдельных случа х достичь 14%. Эта погрешность имеет тенденцию возрастать из-за пульсаций температуры и некорректной регистрации их изменений во времени. Погрешность определени  скорости разогрева можно значительно уменьшить, если опыты вести при больших (не менее 100 К/ч) скорост х разогрева образца. Однако при этом происходит сужение диапазона температур, в котором возможно проведение измерений в квазистационарном режиме, а получаемые результаты приходитс  осредн ть по большему перепаду температур, что также, приводит к увеличению погрешности определени  ТФХ. Наиболее близким к изобретению технш1еским решением  вл етс  устройство , содержащее два плоских тепломера, установленных на обращенных друг к другу поверхност х блоков программированного изменени  температуры с посто нной скоростью, и систему термопар, вмонтированных в поверхности тепломеров, контактирующие с рабочими поверхнос т ми исследуемого образца, помещаемого во вре- м  эксперимента между тепломерами. Термопары предназначены дл  изменени  температур рабочих поверхностей образца Т( и Т и определени  по их показани м разности температур йТ , температуры отнесени  Т, , полученных результатов при определении ТФХ Г -1(т 4.Т - /т т и ) , скорости температуры 31. Недостатками устройства  вл ютс  ольша  погрешность определени  тепоемкости (пор дка 5-7%), темперауропроводности (пор дка 10-12%) теплопроводности (8-10%) из-за огрешностей, возникающих при опреелении плотности теплового потока и температуры вследствие необходимо ти непрерывно корректировать коэффи циенты преобразовани  тепломеров и термопар с изменением их собствен ных температур во врем  опыта. Это значительно усложн ет обработку экспериментальных данных дл  получени  корректных результатов по определ емым величинам ТФХ. Кроме того, при определении тепЛоемкости необходимо учитывать изме нение величины константы устройств в зависимости от изменени  темпера туры. Цель изобретени  - снижение погрешности определени  объемной теп лоемкости и температуропроводности плоских образцов, исследуемых мате риалов в квазистационарном теплово режиме. Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу определе ни  теплофизических характеристик плоских образцов в материалах в . квазистационарном режиме, включающему измерение плотностей теплового потока, проход щего через проти воположные рабочие поверхности исследуемого образца, и температур этих поверхностей, дополнительно измер ют изменени  плотностей тепл вого потока по толщине образцов сравнени  с известными теплофизическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхност ми исследуемого образца, а искомые ТФХ исследуемого образца вычисл ют по форму лам: дл  объемной теплоемкости ,, -2i( ; с,р дл  коэффициента температуропроводности , учитыва  соотношение (3) , ЯгЧг . С, U(bC| с, I

дл  коэффициента теплопроводности, , использу  формулу (1)

,.к(,

Ч.Чг

где h - толщина образца;

q.nqj- плотности теплового потока, SS проход щего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца;

На фиг. 1 представлен график распределени  плотности тепловых потоков и температур; на фиг. 2 - схема размещени  блоков пpoгpa миpbвaнного изменени  температуры и тепломеров в устройстве.

Устройство содержит тепломеры 1 и 2 с датчиками температуры, дополнительные тепломеры 3 и 4, датчики 5 и 6 температуры, блоки 7 и 8 7 д qj - изменени  плотностей теплового потока, происход щие в образцах сравнени  с известными теплофизическими свойствами, контактирующих .с рабочими поверхност ми исследуемого образца; &Т - перепад температур между противоположными рабочими поверхност ми исследуемого образца; R - константы, учитывающие известные ТФХ образцов сравнени  . Устройство дл  определени  ТФХ плоских образцов, содержащее два соосно и последовательно расположенных блока программированного изменени  температуры, например нагревател , на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхност х установлен тепломер с датчиком температуры поверхности тепломера, контактирующей с исследуемым образцом, дополнительно введены тепломеры, идентичные по теплофизическим свойствам и геометрическим параметрам имеющимс  тепломерам с датчиками температуры и расположенные между блоками программированного изменени  температуры и соответствуюцр ми тепломерами с датчиками температуры. При этом дл  каждой пары контактирующих между собой тепломеров эффективна  теплоемкость сло , заключенного между серединными сечени ми дополнительно введенного тепломера и имеющегос  тепломера с датчиком температуры, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективна  теплоемкость сло , заключенного между серединным сечением имеющегос  тепломера с датчиком температуры и его поверхностью, контактирующей с рабочей поверхностью исследуемого образца. программированного изменени  температуры , например электронагревател , работающие по заданной программе , образец 9 исследуемый. В основу способа заложен, инвест на  закономерность, заключающа с  в том, что при наступлении регул рного теплового режима 2-го рода дл  пластины (либо системы пластин, наход щихс  между собой в тепловом контакте) температура в любой точке блока  вл етс  линейной функцией времени, а распределение темпера туры по толщине пластины (либо по толщинам каждой пластины в системе) описываетс  законом параболы. ПрИ этом имеет место посто нство скорос ти изменени  температуры во времени и в любом сечении. Характер распределени  плотности теплового потока и температур во времени показан на фиг. 1. Способ реализуетс  наиболее эффективно , если в качестве плоских образцов сравнени  с известными теп лофизическими свойствами использовать тепломеры типа вспомогательной стенки. Исход  из этой посылки и закона сохранени  энергии дл  сис тем плоских тел, представленной на фиг. 2, можно записать следую1цие уравнени : (|,)2(сиС, « 2-44 C2-4-fJ плотности теплового потока где qj измеренные тепломерами соот ветственно ,2,3,4; cph, где с О - объемна  теплоемкость исследуемого образца, h - его толщина; коэффициент, учитывающий суммарную эффективную тепло емкость слоев, прилегающих к рабочим поверхност м исследуемого образца и расположенных между серединными сечени ми тепломеров Т и 2 и поверхност ми этих тепломеров , контактирукнцими с исследуемым образцом, т.е. между сечени ми В, С и сече ни ми В коэффициенты, учитывающие суммарную эффективную теп78 лоемкость слоев, заключенных между серединными сечени ми контактирующих между собой тепломеров: соответственно тепломеров 1 и 3 (между сечени ми А и В) и : тепломеров 2 и 4 (между сечени ми А и В J ; и - скорость изменени  температуры , равна  dT/d, где Т - текущее значение температуры дл  момента време- , ни о .. Реща  систему уравнений (7), получим : / Ч,-Чг ( рь-h- I C,.,+ C2,lr, где ЛЯ,Чз-Я|( Hiqj ,При обозначении коэффициентов С €4 и С.-С2. формула (В) преобразуетс  в рабочзто формулу (5). Эти коэффициенты учитывают по существу балластные теплоемкости, которые можно определ ть в градуировочных опытах с образцовыми мерами из эталонных веществ. Дл  вычислени  коэффициента теплопроводности используем известную формулу (1), а дл  коэффициента температуропроводности рабоча  формула получаетс  из (5) с учетом известного соотношени  (3). . Из анализа формул (5) и (6) видно , что дл  определени  теплоемкости не требуетс  определ ть скорость изменени  температуры, что  вл етс  главным достоинством предлагаемого способа. Устройство работает следующим образом. Оно (фиг. 2) содержит тепломеры 1-4, датчики 5 и 6 температуры поверхностей тепломеров 1 и 2 и блоки 7 и 8 программированного изменени  температуры исследуемого образца 9, расположенные одни относительно другого последовательно и соосно. Блоки 7 и 8 обЬспечивают нагрев образца с заданной посто нной скоростью . Тепломеры, наход щиес  попарно в механическом и тепловом контакте (1 и 3,2 и 4), установлены на обращенных друг к другу поверхност х блоков программированного изменени  температуры, соответственно тепломеры 1 и 3 - на блоке 7 и тепломеры 2 и 4 - на блоке 8. На поверхност х тепломеров 1 и 2, приводимых во врем  опытов в тепловой контакт с рабочими поверхност ми ис следуемого образца 9,-размещены датчики 5 и 6 температуры, предназначенные дл  определени  температуры соответствующей рабочей поверхности образца 9. Все тепломеры выполн ютс  идентичными по теплофизическим свойствам и конструктивным параметрам (например, площади поверхности тепломеров одинаковые, коэффициенты преобразовани  теплового потока в электрический сигнал тоже одинаковы, что упрощает измери тельную схему устройства, теплофизи ческие характеристики в рабочем диа пазоне температур у тепломеров одинаковые ) . Тепломеры выполнены таким образо чтобы суммарные эффективные теплоемкости элементов тепломеров, распо ложенных между серединными сечени ми контактирующих между собой тепло MfepoB, и слоев, расположенных между серединными сечени ми тепломеров , контактирующих с исследуемым образцом 9 (т.е. тепломеров 1 и 2 с датчиками 5 и 6 температуры) и поверхност ми, контактирующими с образцом, имели одинаковые зависимости от температуры. Это обеспечи вает независимость отношени  вход щего в формулы (5) и (6) от температуры. Применение в устройстве тепломе ров, выполненных с одинаковыми чувствительност ми к тепловому потоку , позвол ет в .измерительной схеме устройства использовать дифференциальное соединение тепломеров. После выравнивани  скоростей изменени  температуры в обоих блоках (о чем суд т по установившемус  . значению разности температур рабочих поверхностей образца 9, измер емых с помощью датчиков 5 и 6 температуры или по установившемус  значению плотности теплового потока, измер емому тепломерами 1-4), производ т обработку экспериментальных данных , т.е. показаний упом нутых тепломеров и датчиков температуры. Уменьшение погрешности измерений в способе определени  теплоемкости достигаетс  за счет погрешности , св занной с необходимостью определени  скорости изменени  температуры. Использование высокоточной регистрирующей аппаратуры дл  измерени  электрических сигналов привносит погрешность не более 0,5%. Погрешность определени  констант устройства зависит от погрешностей используемых образцовых мер, которые не превьш1ают по теплоемкости 0,2%, по теплопроводности 3%, так как предельную погрешность определени  теплоемкости можно оценить в 3,5%, температуропроводности - 6%. Кроме того, возможно определение ТФХ в широком температурном диапа-г зоне. Врем  проведени  опыта по измерению комплекса ТФХ в диапазоне температур 100-500 К составл ет в зависимости от выбранной скорости измерени  температуры от 2 до 8 ч.

Фиг 1

7--.

Фиг. 2

j.

В С

с

±6

Claims (2)

1. Способ определения теплофйзических характеристик плоских образцов материалов в квазистационарном режиме, включающий измерение плотностей теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца, и температур этих поверхностей, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности определения объемной теплоемкости и коэффициента температуропроводности, дополнительно измеряют изменения плотностей теплового потока по толщине образцов сравнения с известными теплофи— зическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхностями иссле- дуемого образца, а искомые теплофизические характеристики вычисляют по формулам _ £ι_Ί.

где ср - объемная теплоемкость исследуемого образца, равная произведению массовой теплоемкости С и плотности р; Q - коэффициент температуропроводности;

Ά - коэффициент теплопроводности;

ΛΤ- перепад температур между противоположными рабочими поверхностями образца;

,<|₂- плотности теплового потока, проходящего через противо/ положные рабочие поверхнос- ти исследуемого образца; изменения плотности теплового потока, происходящие по толщине образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами, контактирующих с рабочими ·,, поверхностями исследуемо_{Λ Λ} го образца;

Г С Р ’ » ι· л - константы, учитывающие известные теплофизические свойства образцов сравнесл со сл ния;

h - толщина исследуемого образца.

2. Устройство для определения тепытофизических характеристик плоских образцов материалов, включающее два соосно и последовательно расположенных блока программированного изменения температуры исследуемого образца, на каждом из которых на обращенных одна к другой поверхностях установлен тепломер с датчиком температуры поверхности тепломера, контактирующий с исследуемым образцом, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешностей определения объемной теплоемкости и коэффициента температуропроводности, в устройство дополнительно введены тепломеры, идентичные по теплофйзическим свойствам и конструктивным параметрам имеющимся тепломерам с датчиками температуры и расположен ные между блоками программированного изменения температуры и соотвествующими тепломерами с датчиками температуры, причем для каждой пары контактирующих между собой тепломеров эффективная теплоемкость слоя, заключенного между серединными сечениями дополнительно введенного тепломера и имеющегося тепломера с датчиком температуры, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективная теплоемкость слоя, заключенного между серединным се-в чением имеющегося.тепломера с датчиком температуры и его поверх ностью , контактирующей с рабочей поверхностью исследуемого об |разца.