SU1721490A1

SU1721490A1 - Device for determining thermal and physical characteristics of materials

Info

Publication number: SU1721490A1
Application number: SU894775667A
Authority: SU
Inventors: Виктор Григорьевич Сысоев; Валерий Михайлович Харченко; Владимир Алиевич Тлевцежев; Виктор Леонидович Миков
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1992-03-23

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике. Устройство состоит из герметичной камеры 1, в которую помещен образец 2 электропроводного материала, по всей длине окруженный тонким металлическим экраном (приемникомтепла 3) с термопарой 4. Внутренн поверхность экрана имеет степень черноты не менее 0,5, а внешн - не более 0,3. Рассто ние между образцом и экраном в 5-10 раз больше радиуса образца. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.This invention relates to a measurement technique. The device consists of a sealed chamber 1 in which sample 2 of an electrically conductive material is placed, surrounded along its entire length by a thin metal screen (receiver 3) with a thermocouple 4. The inner surface of the screen has a degree of blackness of at least 0.5, and the external surface does not exceed 0.3 . The distance between the sample and the screen is 5-10 times the radius of the sample. 2 hp f-ly, 1 ill., 1 tab.

Description

х|x |

ГОGO

Изобретение относитс к измерительной техники, в частности к устройствам/служащим дл определени теплофизических характеристик (ТФХ) (коэффициента теплопроводности , тепловой активности, объемной теплоемкости, степени черноты) материалов, и может быть использовано в авиастроении, машиностроении, приборостроении , производстве конструкционных материалов.The invention relates to measuring equipment, in particular, to devices / employees for determining thermal characteristics (thermal conductivity) (coefficient of thermal conductivity, thermal activity, volumetric heat capacity, degree of blackness) of materials, and can be used in aircraft manufacturing, mechanical engineering, instrument making, production of structural materials.

Известно устройство дл определени теплофизических характеристик изотропных твердых тел, содержащее герметичную камеру с токоподводами дл пропускани через образец электрического тока дл его разогрева, приемник тепла в виде оболочки , окружающей центральную часть образца .A device for determining the thermophysical characteristics of isotropic solids is known, comprising a sealed chamber with current leads for passing an electric current through the sample to heat it, a heat receiver in the form of a shell surrounding the central part of the sample.

Недостатком известного устройства вл етс низка точность при исследовании образцов малых диаметров, а также невозможность определ ть теплофизические характеристики анизотропных материалов ,A disadvantage of the known device is the low accuracy in the study of samples of small diameters, as well as the inability to determine the thermal characteristics of anisotropic materials.

Целью изобретени вл етс повышена точности и расширение классов иссле- дуимых материалов.The aim of the invention is to improve the accuracy and the expansion of the classes of materials under study.

Поставленна цель достигаетс тем, что в устройстве дл определени теплофизических характеристик, содержащем герметичную камеру с токоподводами и расположенным внутри цилиндрическим образцом, снабженным приемником тепла в виде оболочки, соосно окружающей центральную его часть, приемник тепла выполнен из металлической фольги, внутренн поверхность которого имеет степень черноты не менее 0,5, а внешн поверхность - не более 0,3, при этом рассто ние между образцом и приемником тепла в 5-10 раз больше радиуса образца,The goal is achieved by the fact that in a device for determining thermal characteristics, containing a sealed chamber with current leads and a cylindrical specimen located inside, equipped with a heat receiver in the form of a shell coaxially surrounding its central part, the heat receiver is made of metal foil, the inner surface of which has a degree of blackness not less than 0.5, and the outer surface is not more than 0.3, while the distance between the sample and the heat receiver is 5-10 times greater than the radius of the sample,

Причем с целью повышени точности определени теплофизических характеристик приемник тепла выполнен в виде Цилиндрической оболочки, окружающей образец по всей его длине, с термопарами, расположенными по образующей оболочки , а устройство содержит дополнительный приемник тепла в аиде оболочки, окружающей образец по всей длине, с термопарами , расположенными в центральной ее части.Moreover, in order to improve the accuracy of determining the thermophysical characteristics, the heat receiver is made in the form of a Cylindrical shell surrounding the sample along its entire length, with thermocouples arranged along the shell shell, and the device contains an additional heat receiver in the shell sheath surrounding the sample along the whole length located in its central part.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.The drawing shows a diagram of the proposed device.

Герметична камера 1, в которую помещен исследуемый образец 2, представл ет собой, например, электропроводный стержень , по всей длине окруженный с зазором соосным тонким металлическим приемником 3 тепла. По образующей оболочки наThe hermetic chamber 1, in which the test sample 2 is placed, is, for example, an electrically conductive rod, surrounded along the entire length with a gap coaxially with a thin metal receiver 3 of heat. By forming a shell on

наружной ее поверхности помещены датчики температуры, например термопары 4. Датчик 5 температуры, например термосопротивление , помещаетс также и в окружающую среду на герметичную камеру. Сигнал от датчиков температуры поступает на измерительный блок 6, а затем - на электронно-вычислительную машину 7, Концы стержн закреплены в зажимах 8, например , цанговых с токоподводами 9, подключенными .к источнику 10 питани . В герметичную камеру врезан патрубок 11, который с помощью вакуумного шланга 12 соединен с вакуумным насосом 13. Дл its outer surface is placed temperature sensors, such as thermocouples 4. Sensor 5 temperature, such as thermal resistance, is also placed in the environment on a sealed chamber. The signal from the temperature sensors goes to the measuring unit 6, and then to the electronic computer 7, the rod ends are fixed in the clamps 8, for example, collet with current leads 9 connected to the power source 10. A pipe 11 is embedded in a sealed chamber, which is connected to a vacuum pump 13 by means of a vacuum hose 12. For

повышени точности определ емой зависимости теплофизических свойств от температуры за счет медленного остывани образца соосно со стержнем установлен дополнительный приемник 14 тепла в виде оболочки , аналогичной основной, с датчиками 15 температуры в центральной части оболочки по периметру.an increase in the accuracy of the determined dependence of the thermophysical properties on temperature due to the slow cooling of the sample coaxially with the rod, an additional heat receiver 14 in the form of a shell similar to the core is installed with temperature sensors 15 in the central part of the shell along the perimeter.

Герметична камера 1 при помощи вакуумного насоса 13 вакуумируетс . ВакуумThe sealed chamber 1 is evacuated by a vacuum pump 13. Vacuum

необходим дл того, чтобы исключить вли ние конвективного теплообмена и, если измерени производ тс при высоких температурах , не допустить окислени образца . Образец нагреваетс электрическимnecessary to eliminate the effect of convective heat transfer and, if measurements are made at high temperatures, prevent sample oxidation. The sample is heated electrically.

током, который поступает от источника 10 питани через токоподводы и зажимы 8. После разогрева образца до заданной температуры источник питани отключаетс и образец остывает. Тепловой поток отcurrent from the power source 10 through the current leads and clamps 8. After the sample is heated to a predetermined temperature, the power source is turned off and the sample cools down. Heat flow from

остывающего Образца распростран етс радиально через приемник 3 тепла. Во врем остывани образца датчиком температуры , помещенным на приемнике, регистрируетс его температура Т0,The cooling sample propagates radially through the heat receiver 3. During the cooling of the sample, the temperature sensor placed on the receiver records its temperature T0,

Ti, T2, ..., Тп в определенные моменты времени 0, т, TI ,..., rn . Так как известны температуры и степень черноты внешней поверхности теплового приемника, то по закону Стефана-Больцмана определ етс Ti, T2, ..., Tn at certain times 0, t, TI, ..., rn. Since the temperatures and the degree of blackness of the outer surface of the heat receiver are known, according to the Stefan-Boltzmann law,

тепловой поток, поступающий от приемника к окружающей среде дл тех же моментов времени. Из условий теплового баланса и учитыва , что приемник тепла, выполненный из металлической фольги, практическиheat flux from the receiver to the environment for the same points in time. From the conditions of heat balance and taking into account that the heat receiver made of metal foil is practically

не обладает тепловой инерцией, следует, что тепловой поток, поступающий от приемника к окружающей среде, равен тепловому потоку от образца к приемнику. Отсюда определ етс температура боковой поверхности образца дл моментов времени О, TI , tirn . Зависимость от температуры температуропроводности образца а (Т) в направлении, перпендикул рном продольной оси образца, определ етс из решени does not have thermal inertia, it follows that the heat flux from the receiver to the environment is equal to the heat flux from the sample to the receiver. From here, the lateral surface temperature of the sample is determined for times O, TI, tirn. The temperature dependence of the thermal diffusivity of the sample a (T) in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the sample is determined from the solution

обратной задачи теплопроводности. Определение характеристик в осевом направлении образца проводитс согласно известной методики. Реша пр мую задачу теплопроводности, использу найденную температуропроводность и граничные услови на поверхности образца, определ ют градиент температуры в точке поверхности образца. По градиенту температуры и тепловому потоку от образца к приемнику теп- ла по закону Фурье определ ютс значени радиальной теплопроводности А(Т|) материала образца как функци температуры .inverse heat conduction problem. Characterization in the axial direction of the sample is carried out according to a known technique. The direct problem of thermal conductivity, using the thermal diffusivity found and the boundary conditions on the sample surface, determine the temperature gradient at the surface point of the sample. By the temperature gradient and heat flux from the sample to the heat receiver, the Fourier law determines the values of the radial thermal conductivity A (T |) of the sample material as a function of temperature.

Численное ограничение по степени черноты обусловлено следующими причинами .The numerical limitation on the degree of blackness is due to the following reasons.

Ограничение степени черноты внутренней поверхности экрана минимальным значением 0,5, а внутренней поверхности максимальным значением 0,3 продиктовано тем, что при меньшем значении степени черноты внутренней поверхности (и большем значении Ј внешней поверхности) заметно вли ние отражени (и поглощени ) на показани х датчика 4.Limiting the degree of blackness of the inner surface of the screen to a minimum value of 0.5, and the inner surface to a maximum value of 0.3 is dictated by the fact that with a smaller value of the degree of blackness of the inner surface (and a larger value знач of the outer surface), the effect of reflection (and absorption) on the readings sensor 4.

В таблице представлены ошибки, полученные экспериментально, в определении температуры образца (бТСт), имеющего температуру 900 К при различных значени х Ј дл внутренней ЈВн и внешней ЈВнеш поверхностей .The table presents the errors obtained experimentally in determining the temperature of the sample (TTSt), which has a temperature of 900 K at various values of Ј for the inner H and the outer Outer surfaces.

Как видно из таблицы, при переходе Јвн 0,5 и ЈВнеш 0,3 резко увеличиваетс ошибка в определении температуры образца (стержн ) соответственна в 2,5 и 2 раза. А так как определ ют ТФХ материала образца по этой температуре, то и ошибка в их определении тоже велика.As can be seen from the table, at the transition Јвн 0.5 and ЈVnesh 0.3 the error in determining the temperature of the sample (rod) sharply increases by 2.5 and 2 times. And since the TPC of the sample material is determined from this temperature, the error in their determination is also large.

Рассто ние между образцом и прием- ником тепла (в 5-10 раз больше радиусаThe distance between the sample and the receiver of heat (5–10 times the radius

0 0

00

5five

00

5five

00

5five

образца) выбираетс из следующих соображений: когда это рассто ние больше радиуса менее чем в 5 раз, сложно обеспечить соосность между образцом и приемником тепла, а когда это рассто ние больше радиуса образца более чем 10 раз, то тер етс чувствительность устройства за счет переизлучени энергии в зазоре. Таким образом, приведенные ограничени позвол ют повысить точность измер емых теплофизических характеристик.sample) is chosen from the following considerations: when this distance is less than 5 times the radius, it is difficult to ensure coaxiality between the sample and the heat receiver, and when this distance is more than 10 times the radius of the sample more than 10 times, the sensitivity of the device is lost due to energy reradiation in the gap. Thus, the above limitations improve the accuracy of the measured thermophysical characteristics.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и 1. Устройство дл определени тепло- физических характеристик материалов, содержащее герметичную камеру с токоподводами и расположенным внутри цилиндрическим образцом, снабженным приемником тепла в виде оболочки, соосно окружающей центральную его часть, отличающеес тем, что, с целью повышени точности и расширени классов исследуемых материалов, приемник тепла выполнен из металлической фольги, внутренн поверхность которого имеет степень черноты не менее 0,5, а внешн поверхность - не более 0,3, при этом рассто ние между образцом и приемником тепла в 5-10 раз больше радиуса образца.Fo rmu l and z o f ix 1. A device for determining the thermal and physical characteristics of materials, containing a sealed chamber with current leads and a cylindrical specimen located inside, equipped with a heat receiver in the form of a shell, coaxially surrounding its center part, characterized in that, in order to improve the accuracy and expand the classes of materials under study, the heat receiver is made of metal foil, the inner surface of which has a degree of blackness of not less than 0.5, and the outer surface - not more than 0.3, while p The distance between the sample and the heat sink is 5–10 times the radius of the sample.

2.Устройство поп.1,отличающее- с тем, что, с целью повышени точности, приемник тепла выполнен в виде цилиндрической оболочки, окружающей образец по всей его длине, с термопарами, расположенными по образующей оболочки.2. Pop 1 device, characterized in that, in order to increase accuracy, the heat receiver is made in the form of a cylindrical shell surrounding the sample along its entire length, with thermocouples located along the generator shell.

3.Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с тем, что, с целью повышени точности, оно содержит дополнительный приемник тепла в виде оболочки, окружающей образец по всей длине, с термопарами, расположенными в центральной ее части.3. The device according to claim 1, so that, in order to increase accuracy, it contains an additional heat receiver in the form of a shell surrounding the sample along the entire length, with thermocouples located in the central parts of it.

Claims

Claim

1. A device for determining the thermophysical characteristics of materials, containing a sealed chamber with current leads and a cylindrical sample located inside, equipped with a heat receiver in the form of a shell coaxially surrounding its central part, characterized in that, in order to improve the accuracy and expand the classes of materials under study, the heat receiver made of metal foil, the inner surface of which has a degree of blackness of not less than 0.5, and the outer surface of not more than 0.3, while the distance between the sample and heat nick 5-10 times more sample radius.

thirty

2. The device according to claim 1, with the fact that, in order to increase accuracy, the heat receiver is made in the form of a cylindrical shell surrounding the sample along its entire length, with thermocouples located along the generatrix shell.

3. The device according to claim 1, with the fact that, in order to improve accuracy, it contains an additional heat receiver in the form of a shell surrounding the sample along its entire length, with thermocouples located in its central parts.

E _B n <5 TST _The E Nash <5 TST 0.9 0,1085 0.1 0.1036 0.8 0.1088 0.2 0.1042 0.7 0.1089 0.3 0.1064 0.6 0,1091 0.4 0.1926 0.5 0.1092 0.5 0.2857 0.4 0.2503 0.6 0.3902 0.3 0.3605 0.7 0.5108 0.2 0.5211 0.8 0.7245