SU1756809A1

SU1756809A1 - Method of measuring thermophysical properties of materials

Info

Publication number: SU1756809A1
Application number: SU894734846A
Authority: SU
Inventors: Леонид Константинович Шведов; Александр Витальевич Золотухин
Original assignee: Институт сверхтвердых материалов АН УССР
Priority date: 1989-07-17
Filing date: 1989-07-17
Publication date: 1992-08-23

Abstract

Назначение: изобретение относитс к теплофизическому приборостроению и предназначено дл исследовани теплофи.- зических характеристик материалов. Сущность изобретени заключаетс в том, что образец и эталон помещают в одинаковые услови теплообмена с окружающей средой , одновременно нагревают одинаковыми тепловыми импульсами их передние поверхности и измер ют температурное приращение задних поверхностей. Теплофизические характеристики образца рассчитывают учитыва тепловые потери с образца и эталона, которые определ ют при идентичных услови х теплообмена на образце и эталоне.Purpose: The invention relates to thermophysical instrumentation and is intended to study the thermal characteristics of materials. The essence of the invention is that the sample and the standard are placed in the same conditions of heat exchange with the environment, simultaneously heat their front surfaces with the same thermal pulses and measure the temperature increment of the back surfaces. The thermophysical characteristics of the sample are calculated taking into account the heat losses from the sample and the standard, which are determined under identical conditions of heat transfer on the sample and the standard.

Description

Изобретение относитс к теплофизическому приборостроению и предназначено дл исследовани теплофизических характеристик (ТФХ) материалов.The invention relates to thermophysical instrument making and is intended to study the thermophysical characteristics (TFC) of materials.

Известен способ измерени ТФХ, заключающийс в анализе изменени температуры задней поверхности образца, вызванного распространением в нем двух- мерного теплового потока от воздействи мгновенного теплового импульса на его переднюю пбверхность с учетом неограничен- ных по величине тепловых потерь. Анализ заключаетс в определении совокупности температуропроводностей а дл р да температур этого изменени вблизи его начала, аппроксимацией их методом наименьших квадратов многочленом второго пор дка видаThere is a method for measuring the thermal characteristics of a thermal particle, which consists in analyzing the temperature change of the back surface of a sample caused by the propagation of a two-dimensional heat flux from the effect of an instantaneous heat pulse on its front surface, taking into account unlimited thermal losses. The analysis consists in determining the totality of thermal diffusivities and, for a number of temperatures of this change near its beginning, approximation by the least squares method by a second order polynomial

a(0 a0+a2t2(1)a (0 a0 + a2t2 (1)

и экстрапол цией его к началу тепловогр распространени в образце, т.е. к моментуand extrapolating it to the beginning of the heat distribution in the sample, i.e. to the moment

времени , когда тепловые потери также равны нулю.time when the heat loss is also zero.

Недостатком данного способа вл етс низка точность измерени температуропроводности , особенно в случае длительности теплового импульса ги , соизмеримого с временем прохождени тепловой волны через образец,когдаThe disadvantage of this method is the low accuracy of measurement of thermal diffusivity, especially in the case of the duration of the heat pulse g, commensurate with the time of the heat wave passing through the sample, when

ги(2). gi (2).

Наиболее близким к предлагаемому способу вл етс способ, согласно которому определ ют теплоемкость исследуемого образца путем подачи короткого теплового импульса как на исследуемый образец, так и на эталон и измер ют повышени их температур .The closest to the proposed method is the method according to which the heat capacity of the sample under investigation is determined by applying a short heat pulse both to the sample under test and to the standard and their temperature rises are measured.

Исследуемый образец и эталон берут малых размеров одинаковой простой формы , например, полудиски, толщиной 1-2 мм и диаметром двух полудисков 10 мп. Дл The test sample and the standard take small sizes of the same simple shape, for example, half-disks, 1-2 mm thick and 10 half-diameter two half-disks. For

равенства поглощаемой тепловой энергии, т.е. стабилизации коэффициента поглощени , на их поверхности наноситс тонкое зачерн ющее покрытие, например платинова чернь, со стабильными оптическими характеристиками в измер емом диапазоне температур. Расчетные формулы получены без учета теплообмена исследуемого образца и эталона с окружающей средой.equal heat absorption, i.e. a stabilization of the absorption coefficient, a thin blackening coating, for example, a platinum black, with stable optical characteristics in the measured temperature range is applied on their surface. Calculated formulas are obtained without taking into account the heat exchange of the sample and the standard with the environment.

Недостатком данного способа вл етс низка точность измерени особенно при наличии тепловых потерь с поверхности образца .The disadvantage of this method is low measurement accuracy especially in the presence of heat loss from the sample surface.

Например, при высокотемпературном измерении теплоемкости полимерно-композиционных материалов рабочий объем измерительной чейки необходимо продувать слабым потоком инертного газа дл удалени продуктов деструкции, что вызывает большие конвективные потери с поверхности образца. Поэтому при применении рассматриваемого способа измерение теплоемкости можно проводить дл высоких температур только в вакууме с ограничением верхнего предела температуры, когда критерий Био Bi« 1 и теплообмен образца с окружающей средой можно не учитывать в рас четах.For example, in the case of high-temperature measurement of the heat capacity of polymer-composite materials, the working volume of the measuring cell must be flushed with a weak stream of inert gas to remove degradation products, which causes large convective losses from the sample surface. Therefore, when applying the method in question, the measurement of heat capacity can be carried out for high temperatures only in vacuum with a limitation of the upper temperature limit, when the Biot Bi «1 criterion and the sample heat exchange with the environment can be ignored in the calculations.

Целью изобретени вл етс повышение точности особенно при наличии тепловых потерь с поверхностей образца и эталона.The aim of the invention is to improve the accuracy especially in the presence of heat loss from the surfaces of the sample and the standard.

Поставленна цель достигаетс тем. чго образец и эталон помещают в одинаковые услови теплообмена с окружающей средой , одновременно нагревают одинаковыми тепловыми импульсами их передние поверхности ч измер ют температурное приращение задних поверхностей.The goal is achieved by those. The sample and standard are placed under the same conditions of heat exchange with the environment, and their front surfaces are simultaneously heated by the same thermal pulses and the temperature increment of the rear surfaces is measured.

В случае мгновенного теплового импульса , когда не выполн етс дл образца и эталона неравенство (2) рассчитывают температуропроводность эталона (аа) согласно известной методике и сравнивают с его паспортным значением (аэ).In the case of an instantaneous thermal pulse, when the sample and the standard are not satisfied for inequality (2), the thermal diffusivity of the standard (aa) is calculated according to a known technique and compared with its passport value (ae).

Если , измен ют, например, методом половинного делени полученную из расчетов с погрешностью 15%-ную величину максимального приращени температуры задней поверхности эталона - ТШ2, если бы тепловые потери с его поверхности отсутствовали и рассчитывают а, до тех пор, пока BЈ не будет равна аэ с пренебрежимо малой погрешностью. Тогда, относительна погрешность определени полученного значени Тт2. которое обозначают как Ттэ, определ етс выражением ДТтэ/Ттэ- « 4Л аэ/аэ.If, for example, the half-division method obtained from calculations with an accuracy of a 15% value of the maximum temperature increment of the back surface of the standard, TSH2, is changed, if the heat losses from its surface were absent and a is calculated, until B равна is equal to ae with negligible error. Then, the relative error in determining the obtained value of Tm2. which is denoted as Tte, is defined by the expression DTte / Tte - "4L ae / ae.

Счита , что изменение величины Тт2 по отношению к Ттэ в реальном случае вызвано исключительно тепловыми потер ми с поверхности эталона, а их величина одинакова дл образца и эталона, так как создают дл них идентичные услови теплообмена с окружающей средой и измен ют значение Tmii полученной дл образца, на ту же величину , на которую отличаетс Тт2 и Ттэ. Новое значение Тт1, обозначенное как Тто, вл етс величиной максимального приращени температуры задней поверхности образца , если бы тепловые потери с его поверхности отсутствовали. ПогрешностьAssuming that the change in Tm2 value in relation to Tte in the real case is caused exclusively by heat losses from the surface of the standard, and their value is the same for the sample and the standard, since they create identical conditions for heat exchange with the environment for them and change the Tmii value obtained for the sample , by the same magnitude as Tt2 and Tte. The new value of Tm, designated as Tto, is the value of the maximum temperature increment of the back surface of the sample, if there were no heat losses from its surface. Error

определени Тто при равенстве тепловых потерь образца и эталона и инструментальных погрешностей измерени их температур равна погрешности определени 1 Ттэ. Использу полученное таким образом значение Тто, рассчитываем согласно известных выражений температуропроводность образца ао. Кроме того, если прин ть, что энергии тепловых импульсов, поглощенные передними поверхност ми образца иdetermining Tto with equal heat losses of the sample and the standard and instrumental errors of measuring their temperatures is equal to the error of determining 1 Tte. Using the Tto value thus obtained, we calculate the thermal diffusivity of sample ao according to the known expressions. In addition, if it is assumed that the energy of heat pulses absorbed by the front surfaces of the sample and

эталона одинаковы, то можно определить величину этой энергии Q, а, зна Q и Тто, рассчитать теплоемкость и теплопроводность образца.the reference is the same, it is possible to determine the magnitude of this energy Q, and, knowing Q and Tto, calculate the heat capacity and thermal conductivity of the sample.

Если же длительность теплового импульсар соизмерима с временем прохождени тепловой волны через образец и выполн етс неравенство (2) дл образца и эталона, то температуропроводность, рассчитанна согласно приведенной методике,If the duration of the thermal impulse is commensurate with the time of the heat wave passing through the sample and inequality (2) is fulfilled for the sample and the reference, then the thermal diffusivity calculated according to the above method,

имеет дополнительную погрешность, вызванную конечной длительностью ги. Исключение этой погрешности, достигающей 20%, необходимо проводить вс кий раз, когда рассчитываетс температуропроводность образца и эталона согласно выражению:has an additional error caused by the finite duration of gi. The elimination of this error, reaching 20%, should be carried out any time when the thermal diffusivity of the sample and the reference is calculated according to the expression:

,,,,

где t 1/2- врем достижени температурного приращени образца половины своегоwhere t 1/2 is the time to reach the temperature increment of the sample half of its

максимального значени дл адиабатического случа без учета длительности теплового импульса, с jmaximum value for the adiabatic case without taking into account the duration of the heat pulse, with j

а0, а0 - температуропроводность образца с учетом и беЗ; учета длительности теплового импульса, a0, a0 - thermal diffusivity of the sample with regard to and without BS; taking into account the duration of the heat pulse,

tc - характеристическое врем , определ емое выражениемtc is the characteristic time defined by the expression

Н2/(л2а)с, где I - толщина образца.H2 / (l2a) s, where I is the sample thickness.

Claims

Invention Formula

The method of measuring the thermophysical characteristics of materials, which consists in simultaneously pulsing the front surfaces of the sample and the atplon, measuring the temperature increment of their back surfaces and measuring its maximum value, characterized in that, in order to improve accuracy, especially in the presence of heat losses from the surfaces of the sample and the standard, the sample and the standard provide the same heat exchange conditions with the environment, and the maximum Tte of the temperature increment of the standard is determined by pa, starting from its measured value Tte1 to the value Tte, when the passport and calculated values of the thermal diffusivity of the reference match, then the adjusted value of the maximum Tto of the temperature increment of the sample is determined by introducing an amendment that takes into account the same heat transfer between the reference and the sample the values of the maximum temperature increment of the standard | Tte-Tte11.

and then, using the adjusted Tte and Tto maxima ,. thermal diffusivity is determined by the known expressions, and the specific heat and thermal conductivity are calculated using the formulas

(A / / ObXU / ipJOWTmo): Lo a0Sre / Oe (1e / 1o) (Tte / Tto),

where a0, CRO. PO, 1о - thermal diffusivity, specific heat capacity, density and thickness of the sample, respectively, m / s J / kg K, kg / m3, m;

Sre.re, 1e specific heat capacity, density and thickness of the standard, respectively, J / kg-K, kg / m, m;

Tto, Tte - maximums of temperature increments of the sample and the standard, taking into account heat losses, K.