SU857826A1

SU857826A1 - Method of complex determination of material thermal physical properties

Info

Publication number: SU857826A1
Application number: SU792846292A
Authority: SU
Inventors: Виталий Васильевич Курепин; Евгений Анатольевич Белов; Юрий Викторович Левочкин; Юрий Васильевич Григорьев
Original assignee: Ленинградский технологический институт холодильной промышленности
Priority date: 1979-12-03
Filing date: 1979-12-03
Publication date: 1981-08-23

Description

Изобретение относитс к исследова нию физических свойств веществ, а именнс к измерени м тепло изических свойств, и может быть исп -льзовано в теплофизическом приборостроении. Известен способ измерени теплофизических свойств материалов, по ко торому теплопроводность определ ют путем измерени момента времени, COO ветотвующего достижению максимума те пературы поверхности тела на некотором рассто нии от точечного нагревател , на который подаетс кратковременный тепловой импульс. Нагреватель располагаетс между исследуемым телом и эталоном в виде резиновой плас тины. Дл получени значени теплопроводности необходимо предварительно получить градуировочную кривую зависимости времени максимума темпер туры от теплопроводности на наборе этсшонных материалов 1. Недостатками этого способа вл ютс невозможность измерени темпера туропроводнрсти, большое врем подготовки к измерению, требуемое дл выравнивани температурного пол в исследуемом материале и эталоне, необходимость градуировки по набору эталонов,. Наиболее близким к предлагаемому вл етс способ комплексного измерени теплопроводности и температуропроводности , основанный на создании посто нного теплового потока через- круг на поверхности полуограниченного тела и измерении температуры в центре круга в кратные моменты времени с последующим вычислением значений измер емых параметров по заранее протабулированным кривым. Посто нный прток создаетс лампой накаливани , а температура измер етс прижимаемой к телу термопарой 2. Однако при нагреве лучистым потоком необходимо знать степень черноты поверхности исследуемого тела, что представл ет собой сложную техническую задачу. При этом чернение поверхности специальными смес ми может из менить тепловые свойства материала. Кроме того, термопара попадает в зону действи теплового потока, что затрудн ет измерение температуры. Цель изобретени - повышение точности измерений без разрушени ис (зледуемого материала. Поставленна цель достигаетс тем, что в течение опыта в области контакта зонда-с поверхностью материалаThe invention relates to the study of the physical properties of substances, and specifically to the measurement of heat and physical properties, and can be used in thermophysical instrument making. A known method for measuring the thermophysical properties of materials, according to which thermal conductivity is determined by measuring the time point, COO, makes it possible to achieve a maximum body surface temperature at a distance from a point heater, to which a short-term thermal impulse is applied. The heater is located between the test body and the reference in the form of a rubber plate. To obtain the value of thermal conductivity, it is necessary to first obtain a calibration curve for the time of maximum temperature versus thermal conductivity on a set of screen materials 1. The disadvantages of this method are the inability to measure the temperature of the thermal conductivity, the long preparation time for the measurement required to equalize the temperature field in the material under test and the standard, the need graduations on the set of standards. The closest to the proposed method is a complex measurement of thermal conductivity and thermal diffusivity, based on creating a constant heat flux through the circle on the surface of a semi-infinite body and measuring the temperature in the center of the circle at multiple times and then calculating the values of the measured parameters using pre-tabulated curves. A constant flow is created by an incandescent lamp, and the temperature is measured by thermocouple 2 pressed to the body. However, when heated by a radiant flux, it is necessary to know the degree of blackness of the surface of the test body, which is a difficult technical problem. In this case, the blackening of the surface with special mixtures may alter the thermal properties of the material. In addition, the thermocouple enters the zone of action of the heat flux, which makes it difficult to measure the temperature. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy without destroying IS (the material being inspected. The goal is achieved by the fact that during the experiment in the area of contact of the probe with the surface of the material

поддерживаетс посто нна температура , отличающа с от начальной температуры .материала.the temperature is maintained constant from the initial temperature of the material.

Способ осуществл етс следующим образом.The method is carried out as follows.

На плоский участок .исследуемого материала устанавливаетс зонд, создающий в круговом п тне контактной поверхности посто нную температуру , котора может превышать начальную температуру материала на 10-20 К Зонд позвол ет измер ть температуру на поверхности и тепловой поток, вход щий в поверхность. Такой зонд может выполн тьс на разных принципах , например, с использованием плоских, контактных тепломеров или энтальпийных тепломеров. Температура поверхности измер етс термопарой или термометром сопротивлени ,A probe is installed on a flat area of the material under investigation, which creates a constant temperature in the circular spot of the contact surface, which can exceed the initial temperature of the material by 10–20 K. The probe allows to measure the surface temperature and heat flux entering the surface. Such a probe can be performed on different principles, for example, using flat, contact heat meters, or enthalpy heat meters. The surface temperature is measured by a thermocouple or resistance thermometer,

В течение опыта в определенные моменты времени измер ют;с тепловой поток, поступающий из зонда в материал , и температура контактной поверхности.During the experiment at certain points in time, the heat flux coming from the probe into the material and the temperature of the contact surface are measured.

Формулы дл вычислени теплопроводности и температуропроводности получаютс из решени нестационарного уравнени теплопроводности дл полуограниченного тела с посто нной температурой в круговой области поверхности . При этом, если прин ть начальную температуру тела равной нулю (прин в ее за начало отсчета), дл потока тепла через центр круга q, (Fg ) справедливо выражениеThe formulas for calculating thermal conductivity and thermal diffusivity are obtained from solving a non-stationary thermal conductivity equation for a semi-infinite body with a constant temperature in a circular surface area. In this case, if we take the initial body temperature equal to zero (having accepted it as a reference point), for the heat flux through the center of the circle q, (Fg), the expression

Р/ -1 il P / -1 il

-1-one

r.r-1-eri ЪТРо/|r.r-1-eri

де т.de t.

-температура, поддерживаема в круговой области контакта зонда и исследуечого материала;-temperature maintained in a circular area of contact between the probe and the test material;

-радиус области контакR та;-radius of contact area;

-коэффициент теплопроводности;-coefficient of thermal conductivity;

-коэффициент температуропроводности ;- thermal diffusivity;

врем от начала опыта; time from the beginning of the experience;

р -a/g .1p -a / g .1

безразмерный критерий dimensionless criterion

Фурье;Fourier;

erfc(x) - функци ошибок. Начина с некоторого момента времени (завис щего от температуропроводности материала) поток в области контакта перестает измен тьс erfc (x) is an error function. Starting from a certain point in time (depending on the thermal diffusivity of the material), the flow in the contact area ceases to change.

ITf, %тац R ITf,% tac R

Измер значени дц-И величину поддерживаемой температуры Т можно определить Я материала. ОтношениеMeasuring the value of ds-I and the value of the temperature being maintained T can be determined by the I material. Attitude

a.ilUpa.ilUp

г стаи, представл ет собой универсаль ную функцию от критери FQ . Зна величину cj,crau.n измер в определенные моменты времени тепловой поток q,(t, можно определить значени Fg,дл моментов замера потока , а значит и вычислить температуропроводность по формулеg pack is a universal function of the FQ criterion. By knowing the value of cj, crau.n, measuring at certain points in time the heat flux q, (t, you can determine the values of Fg, for the moments of measuring the flow, and hence calculate the thermal diffusivity by the formula

Значени времени, начина с которых соотношение выполн етс с точностью- 1% дл разных значений температуропроводности исследуемого материала и радиусов R области нагрева приведены в таблице..The times, starting with which the ratio is performed with an accuracy of 1% for different values of the thermal diffusivity of the material under study and the radii R of the heating region, are given in the table.

Из таблицы видно, что варьиру радиус зонда можно регулировать врем измерени в широких пределах. В предлагаемом способе тепловой процесс протекает на два пор дка быстрее по сравнению с режимом в известном способе, что снижает погрешность , св занную с возникновением неравномерности температурного пол издели из-за теплообмена с окружающей средой. Минимальные размеры исследуемого тела определ ютс глубиной проникновени температурного пол за врем измерени . Оценки показывают, что температурное возмущение за врем опыта проникает за глубину пор дка 2R, где R - радиус зонда. Использу зонды с размерами, приведенными, в таблице, можно измер ть теплофизические характеристики малогабаритных изделий и тонких листов.From the table it can be seen that by varying the probe radius, it is possible to adjust the measurement time over a wide range. In the proposed method, the thermal process proceeds two orders of magnitude faster compared to the regime in the known method, which reduces the error associated with the occurrence of uneven temperature of the product floor due to heat exchange with the environment. The minimum dimensions of the test body are determined by the penetration depth of the temperature field during the measurement time. Estimates show that the temperature perturbation during the experiment penetrates beyond 2R, where R is the radius of the probe. Using probes with dimensions given in the table, one can measure the thermophysical characteristics of small-sized products and thin sheets.

Область применени предлагаемого способа определ етс величиной контактного сопротивлени между зондом и исследуемым материалом. Оценки показывают , что при типичных значени 10 м%/Вт вли нием контактного сопротивлени можно пренебрегать до значений Х 5 Вт/м-К. Использование жидких металлических смазок типа эвтектики3„-Са может позволить существенно расширить диапазон измер емых X в область больших значений теплопроводности.The field of application of the proposed method is determined by the magnitude of the contact resistance between the probe and the test material. Estimates show that at typical values of 10 m% / W, the influence of contact resistance can be neglected to values of X 5 W / mK. The use of liquid metal lubricants of the eutectic type 3'-Sa can allow to significantly expand the range of measured X in the region of large values of thermal conductivity.

Claims

The proposed method for measuring the thermophysical properties of materials and products without destroying the material under investigation by creating a constant temperature in the spot of contact of the probe with the surface is simple to implement, has broader application limits. At the same time, a decrease in measurement time leads to an increase in productivity and accuracy. On the basis of the proposed method, an industrial device is being developed for non-destructive testing of a complex of thermal and physical properties: thermal conductivity, thermal diffusivity, and volumetric heat-scraper; - materials and thermal conductivity I (0.1-5) W / m-K Creating the proposed method of non-destructive control of the thermal properties of materials and products has a great economic effect and contributes to improving the quality of the product. This method allows selective monitoring of the properties of the materials produced, and in some cases and control of each product. The magnitude of the economic effect is determined by the cost of manufactured products and materials. Claims The method of complex determination of the thermophysical properties of materials of products with a flat surface area and body size exceeding the characteristic depth of penetration of the temperature field over time, from rhenium, is that a probe with a circular contact surface with a radius of 1-5 1M is superimposed on a flat surface area under test material and measured at certain points in time the amount of heat flux entering the ma-. The probe material, the temperature in the center of the probe contact surface with the subsequent calculation of thermal conductivity and thermal diffusivity by known ratios, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy without destroying the material under study, during the measurements the constant temperature is maintained in the probe contact area different from the initial material temperature. Sources of information taken into account in the examination 1.Rybakov V.I. and others. A device with a spot heater for determining the coefficient of thermal conductivity of isotropic materials. Proceedings of the Institute Mosstro. Issue b, 1969, pp. 253-256.

2. USSR author's certificate number 458753, cl. G 01 M 25/18, 1975 (prototype).