SU1286976A1 - Способ определени теплофизических свойств материалов и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области технической физики и может быть ис- польз.овано дл  комплексных измерений теплофизических свойств материалов (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности) в широком диапазоне температур. Целью изобретени   вл етс  повьшение точности определени  ТФС материалов и расширение функциональных возможностей устройства. На рдну из поверхностей плоского образца в виде, неограни- ченной пластины воздействуют периодическим тепловым потоком. Измер ют его амплитуду и амплитуду колебаний температуры и ее среднее значение на противоположной нагреваемой поверхности образца По измеренным /значени м рассчитывают искомые свойства материала. Величину сдвига фазы Cf колебаний температуры на поверхности , противоположной нагреваемой , относительно колебаний теплового потока поддерживают посто нной путем изменени  частоты колебаний теплового потока ц на величину лоз 5,76/(,3ср - 11,46 - 0,11)2 - IJco. Устройство содержит источник теплового потока, модул тор теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом источника теплового потока, формирователь, первый выход которого соединен с вторым входом модул тора, вакуумную камеру, оптически св занную с выходом модул тора и имеющую резистивный нагреватель , соединенный с блоком автоматического программного управле- .ни  температу)Ой,. с датчиком температуры образца; измеритель фазы и амплитуды соединен с выходом датчика температуры и с вторым выходом формировател , а регистратор соединен с первым выходом измерител  фазы и амплитуды. Оно дополнительно снабжено измерителем теплового потока и оптимизатором, причем вход из- мерител  теплового потока соединен с вторым выходом источника теплового потока, а выход - с третьим входом измерител  фазы и амплитуды, вход оптимизатора - с вторым выходом измерител  фазы и амплитуды, а- первый и второй выходы - соответственно с входом формировател  и вторым входом регистратора. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. 3 (Л

Description

Изобретение относитс  к технической физике и может быть использовано дл  комплексных измерений теплофизи- ческих свойств (ТФС) материалов (теплоемкости , теплопроводности и температуропроводности ) в широком диапазоне температур.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  ТФС материалов -и расширение функциональных возможностей устройства.

На чертеже приведена структурна  схема устройства.

Устройство состоит из источника 1 теплового потока, первый выход которого св зан с первым входом модул тора 2 теплового потока, формировател  3, первый выход которого соединен с вторым входом модул тора 2 теплового потока, вакуумной камеры 4 снабженной фоновым нагревателем, подключенным к блоку автоматического прбграммного управлени  температуры (не показан), в которой установлен исследуемый образец 5, передн   сторона которого через вход вакуумной камеры 4 св зана (оптически) с выходом модул тора теплового потока 2, а задн   сторона - с датчиком 6 температуры , выход которого подключен к первому входу измерител  7 фазы и амплитуды, второй вход которого св зан с вторым выходом формировател  3, первый выход - с первым входом регистратора 8, второй выход - с вхо дом оптимизатора 9, а третий вход - с выходом измерител  10 мощности теплового потока, вход которого св зан с вторым выходом источника 1 теплового потока, кроме того, оптимизатор 9 по первому выходу соединен с входом формировател  3, а по второму - с вторым входом регистратора 8,

В устройстве в качестве источника 1 теплового потока использован ОКГ

непрерывного действи  типа ЛТН-102. 1МГодул тор 2 теплового потока выполнен в виде дискового обтюратора, по саженного на вал шагового двигател , скорость вращени  которогЙ задает частоту модул ции теплового потока. Формирователь 3 содержит генератор

.кварцованной частоты, программируемый цифровым кодом таймер (например, микросхема КР580ВИ53), распределител импульсов и усилители импульсов, соединенные последовательно в пор дк перечислени  и обеспечивающие по

10

/5

20

25

30

35

40

45

50

55

первому выходу работу шагового двигател  в соответствии с требовани ми к нему. Кроме того, в состав формировател  входит фотоэлектронный блок, вьфаба ывающий по второму входу формировател  непрерывно с частотой (о метки времени С , соответст- вукщие моментам перехода потока лучистой энергии лазера через нуль.

Исследуемый образец 5 имеет форму тонкого диска с отношением толщины к диаметру не менее 1:10, В качестве датчика 6 температуры может быть использована термопара типа ВР5/20, Роль вакуумной камеры 4 выполн ет вакуумна  печь типа СШВЛ в комплексе с регул тором температуры, например, ВРТ-3 и с программным задатчиком температуры. Измеритель 7 фазы и амплитуды вьшолнен в виде цифрового прибора. Оптимизатор 9 реализован в виде цифрового автомата, который производит вычислени  по формуле и вырабатывает сигнал (цифровой код), по которому формирователь 3 выдает управл ющее воздействие, пропорциональное частоте модул ции теплового потока, и на которой погрешности определени  одновременно теплоемкости , температуро- и теплопроводности образца минимальны. Код, соответствующий начальному значению частоты колебаний теплового потока О „дц хранитс  в пам ти .автомата.

Устройство работает следуюпщм образом .

После достижени  требуемых условий эксперимента (необходимой степени разрежени  в вакуумной камере и температуры образца) по команде Пуск оптимизатор 9 в первом такте вырабатывает код, пропорциональный величине СО„дц , который с его первого выхода поступает на вход формировател  3, а именно на вход программируемого таймера, который по данному сигналу формирует последовательность импульсов, привод щих по вращение со строго посто нной скоростью шаговый двигатель модул тора 2, Диск : модул тора 2 обеспечивает путем пе- .;риодического перекрыти  пучка -излу- ченй  ОКГ стопроцентную модул цию теплового потока по амплитуде-с заданной скважностью. Амплитуда потока определ етс  по сигналу измерител  10 мощности излучени  ОКГ, непрерывно поступающему по третьему

3128

входу в измеритель 7 фазы и амплитуды . В моменты перехода потока лучистой энергии через нуль формирователь 3 вьфабатывает метки OQ времени, следующие с частотой (j и посту- панлцие в измеритель фазы и амплитуды по его второму входу. Модулированный поток лучистой энергии, взаимодейству  с передней поверхностью исследуемого образца 5, возбуждает в образце колебани  температуры, которые при помощи датчика 6 преобразуютс  в электрические сигналы, поступающие по первому входу в измеритель 7 фазы и амплитуды, где определ етс  амплитуда О и фаза первой гармоники по отношению к меткам t o времени, соответствующим фазе колебаний теплового потока на передней поверхности образца 5, а также сред- н   температура Т образца. Кроме того , i измеритель 7 фазы и амплитуды, принима  по своему третьему входу сигнал от измерител  10 мощности теплового потока, на основании извест- ных параметров закона модул ции и

значени  определ ет амплитуду первой гармоники колебаний теплового потока Q . Измеренные указанным образом значени  величин ср , б , Т и Q передаютс  по первому выходу в пам ть регистратора 8, а значение величины , кроме того, по второму выходу - в оптимизатор 9. Во втором такте оптимизатор 9 заново произво- дит определение частоты СО СО нет + ЛСО , и если оно не отличаетс  (в пределах погрешности измерени ) от своего предыдущего значени , т.е. Ьсо О, то по второму выходу формируетс  сигнал разрешени  регистрации значений Ср-гец ,0 , Тир. Указанна  процедура повтор етс  заданное число раз дл  накоплени  и последующего усреднени  результатов. По ее завер- шению система задани  температуры эксперимента получает от регистратора 8 сигнал на переход к следующему температурному уровню.

В случае, если определенное во втором такте значение о не соответствует ранее установленному, разрешени  на регистрацию qt , 6 , Т, Q не поступает, по соответствующему хщфровому коду формирователь 3 вьзда- ет новое управление на шаговый двигатель модул тора 2 теплового потока . Процесс сходимости, как правило, iHe превосходит двух-трех шагов. По

измеренным значени м Т, Q с помощью регистратора 8 производ тс  вычислени  ТФС исследуемого образца согласно выражени м результатов в требуемом виде:

а(Т)

о Е

эе

(1)

ое

)

врй

(2)

г /f Р - j,(T)a(f)

(3)

де а - температуропроводность-,

А - теплопроводность;

Ср - теплоемкость при посто нном

давлении;

Т - средн   температура образца;

(О - кругова  частота колебаний теплового потока и температуры;

0 - амплитуда колебаний температуры j

- толщина образца;

S - площадь поверхности образца, подвергаема  воздействию модулированного .теплового потока;

Q - амплитуда колебаний теплового потока;

р - плотность материала образца;

эс - критериальна  величина определ ема  из уравнени 

т-arctg

BsCOfc) Ад(эе)

(4)

сдвиг фазы колебаний температуры на поверхности, противоположной нагреваемой относительно колебаний теплового потока;

(5)

В качестве регистратора -8 использован управл ющий вычислительный комплекс СМ 1800 с периферийным оборудованием дл  визуализации и доку- ментировани  результатов исследовани  .

Погрешности измерени  ТФС можно оценить, принима  дл  упрощени , что относительные погрешно сти измерени  &Q/Q, д 9 /9, (ktf /l| величины пос- то нные.

Рассмотрим зависимость погрешностей Гйа/а, Й-А / и iCp/Cj от критериальной величины . Анализ соотношени  показывает, что а/а монотонно . уменьшаетс  с увели :;,. чением % и начина  со значени  Х- 2, измен етс  незначительно. Анализ

от

- -лей

зависимости коэффициента при -тгJt в соотношении показывает, что он достигает минимума при «опт 2,4. Отсюда следует, что минимум погрешностей измерени  ТФС достигаетс , когда критериальна  величина -эе равн етс  2,4, а оптимальное значение сдвига фазы равно Ч опт 2,46 рад.

Использу  исходные данные предыдущего расчета погрешностей измерени  ТФС, вычислим эти погрешности дл  случа  Cf сропт ,

Корректирующую поправку к частоте модул ции температуры на поверхности , противоположной нагреваемой, относительно колебаний теплового потока , нагревающего исследуемый образец , поддерживают посто нно путем изменени  частоты колебаний тепловог потока на величину

лсо

{:

5,76

H7,3.if - 11, - 0,11)2

- 10,

где со - частота теплового потока}. СР - угол сдвига фаз. Коррекци  частоты модул ции (с целью поддержани  сдвига фазы на посто нном уровне) обеспечивает в данном способе и устройстве повьше- ние точности определени  ТФС приблизительно в 2,5 раза.

Claims (2)

1. Способ определени  теплофизи- ческих свойств материалов, заключающийс  в том, что на одну из поверхностей плоского образца, имеющего форму неограниченной пластины, воздействуют периодическим тепловым потоком , измер ют его амплитуду, а также амплитуду колебаний температуры и

5

ее среднее значение на поверхности образца, противоположной нагреваемой, и сдвиг фазы колебаний температуры относительно колебаний теплового потока , по которым рассчитывают тепло- физические свойства материала, отличающийс  тем, что, с целью повьш1ени  точности, величину сдвига фазы колебаний температуры на поверхности образца,противоположной нагреваемой относительно колебаний теплового потока, поддерживают посто нной путем изменени  частоты колебаний теплового потока на величину

5.76

,3-1/ - 11,46-- 0,11)2 - 1

0

5

0

5

где oJ - частота теплового потока,

Ч - угол сдвига фаз.

I

2. Устройство дл  определеин  Teji-| лофизических свойств материала, содержащее источник теплового потока, модул тор теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом источника теплового потока, формирователь, первый выход которого соединен с вторым входом модул тора, вакуумную камеру, оптически св занную с выходом модул тора и имеющую резистивный нагреватель, соединенньй с блоком автоматического программного управлени  температурой, с датчиком температуры образца, изме- ритель фазы и амплитуды, первый вход которого соединен с выходом датчика температуры, а второй вход - с вторым выходом формир овател , регистратор , первый вход которого соединен с первым выходом измерител  фазы и амплитуды, отличающеес  тем, что, с целью повьш1ени  точности определени  теплофизических свойств материалов, оно снабжено измерителем теплового потока и оптимизатором , причем вход измерител  теплового потока соединен с вторым выходом источника теплового потока, а выход - с третьим входом измерител  фазы и амплитуды, вход оптимизатора соединен с вторым выходом измерител  фазы и амплитуды, а первый и второй выходы - соответственно с входом формировател  и вторым входом регистратора.

5

0

г

«7

шм

Т

Пуск

1 f

ГффУ

Г

г