SU920489A1 - Способ комплексного измерени коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов на образцах в виде пластины - Google Patents

Description

( СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОБРАЗЦАХ В ВИДЕ ПЛАСТИНЫ , . Изобретение относитс  к измерени м теплофизических свойств Т8ер дых материалов и предназначено дЛ  использовани  в практике .теплофизимеских лабораторных исследований при изучении свойств диэлектриков,полупроводников , металлов и сплавов. Известен способ определени  коэффициента температуропроводности, заключающийс  в том, что лазерный им пульс подают на одну сторону плоского образца и измер ют изменение по времени температуры другой стороны. Дл  измерени  теплоемкости этого же образца используют непрозрачный диск из стеклообразного графита,который привод т в непосредственный тепловой контакт с образцом со сторо ны воздействи  лазерным импульсом .11. Недостаток данного способа заключаетс  в том, что теплоемкость и тем пературбпроводность испытуемого образца нельз  измерить одновременно в ходе одного эксперимента, так как наличие непрозрачного диска не позвол ет измерить коэффициент температуропроводности . Наиболее близким к изобретению по технической Сущности и достигаемому результату  вл етс  способ, включающий нагрев световым импульсом образца и измерение температуры его поверхности t21. Недостаток этого способа заклю«:«аетс  в том, что энергию световогоимпульса , поглощенную на переднем торце образца в ходе эксперимента не измер ют, что приводит к погрешности измерени  теплоемкости, достигающей 15. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  теплоемкости . Эта цель достигаетс  тем, что согласно способу комплексного измерени  коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов на образцах в виде пластины, включающему нагрев световым импульсом образца и измерение температуры его поверхности, на пути светового импульса перед образцом помещают полупрозрачную пластинку с известными свойствами, измер ют максималь ное повышение температуры пластинки и по полученным данным определ ют коэффициент температуропроводности и теплоемкость. На чертеже изображена теплова  схема, реализующа  данный метод.Све товой импульс 1 подают на образец 2 через полупрозрачную пластинку 3 и при помощи, например, термопар и измep юt температуру полупрозрачной пластинки и задней поверхности образца . Полупрозрачна  пластинка используетс  дл  того, чтобы измерить эне гию светового импульса, поглощенную на переднем торЦе образца, котора  .известном способе непосредственно не измер лась. Теплоемкость образца рассчитываетс  по формуле ViT;;-b% r)(fao-Cn-atn)) где дТ - повышение температуры в образце, возникшее в результате действи  светового импульса и измеренное после того, как температурное поле в образц выравниваетс  К1; &Тр| - повышение температуры по лупрозрачной пластинки, возникшее в результате действи  светового импул са и измеренное после того, как температурное поле выравниваетс  К Q0 - энерги  светового импуль са Дж., - коэффициент поглощени  п лупрозрачной пластинки; t - коэффициент пропускани  полупрозрачной пластинки С п - теплоёмкость полупрозрач ной пластинки ДжК }С - теплоемкость испытуемого образца Дж-К у - безразмерный параметр. Параметр jp определ етс  из опыта с эталонным образцом (с известной теплоемкостью (С), имеющим тот же диаметр и расположенного на том же рассто нии от полупрозрачной пластинки , что и испытуемый образец о(1)-() ,,, где с теплоемкость эталонного образца повышение температуры в эталонном образце, возникшее в результате действи  светового импульса и измеренное после того, как температурное поле в образце выравниваетс  К. Если учесть многократные отражени  а системе полупрозрачна  пластинка образец , можно показать, что параметр г на зависит от коэффициента отражени  R поверхности образца . Дл  того, чтобы определить параметр у с минимальной погрешностью , необходимо выбрать эталонный образец с поверхностью, коэффициент отражени  которой близок к 1. Коэффициент температуропроводнос- ти определ ют по известной формуле «.ьзз, T.s коэффициент температуропроводности испытуемого образца , толщина образца t врем  достижени  половины максимального зна чени  температуры задней поверхности образца (см.фиг.Г) fd. По формулам СО и (3) определ ют теплоемкость испытуемого образца, и его коэффициент температуропроводности . При определении теплоемкости не нужно знать коэффициент поглощени  К поверхности испытуемого образца. Рассмотрим конкретный вариант реализации предложенного способа. Возьмем в качестве испытуемого образца медную цилиндрическую пластинку с радиусом R и толщиной d 10 11 (. Эталонный образец представл ет собой медную пластинку с такими же геометрическими размерами, подсеребренной передней поверхностью и теплоемкостью 0,27010,001 ДжК-. В каче5 стве полупрозрачной пластинки возьмем пластмассовую пластинку радисом Пп Б-Ю i 10 ми толщиной, dn 0,510 ±10 м, теплоемкостью ,Сп 0,1030 t 0,0007 Дж-К, коэффициентом поглощени  | 0,05б± 0,003 и коэффициентом пропускани  t 0,430t 0,03. Подадим от лазера, например,типа roC-30i-Световой импульс длительностью 1 мс с энергией е импуль се Q 1,0,501 0,005 Дж на этало«ный образец через полупрозрачную пластинку, расположенную параллельно торцовой поверхности бразца и отсто щую от нее на рассто нии 0,510 м. После того, как температурные пол  в пластинке и в эталонном образце выравн ютс , измер ем подъем температуры в них. При измерении получаем дТ 0,1«tO,OV К и.дТэ 5 0,321 0,01 К. Затем, рассчитыва  по формуле (2), коэффи1 (иент -jr имеем 2Г 0,651 i 0,061. Заменим эталонный образец исследуемым и после подачи светоёого импульса и измерени  температуры получим З,/ 0,01 К и дТп 6,2 +0,01 К. Теперь по формуле (Т рассчитываем значение CMи в резуль тате получим е 1,02010,021 Дж-К таким образом, относительна  погреш ность теплоемкости С при ее измере нии предлагаемым способом составит 2.П, В известном же способе 21 расчет на  формула дл  теплоемкости имеет вид

М

где К - коэффициент поглощени  переднего торца испытуемого образца, и, очевидно, что погрешность теплоемкости С в этом способе не меньше, чем погрешность коэффициента поглощени  К.

Если использовать в способе 2 эталонные покрыти , то можно показать , что относительна  погрешность при определении К а, следовательно, и теплоемкости, составл ет 10-15%.,

Необходимо подчеркнуть, что увеличение точности при измерении температуры и энергии светового импульса не позвол ет существенно увеличить точность определени  теплоемкости по способу 2.

(4) 49

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   Способ комплексного измерени  коэффициента температуропроводности и теплоемкости твердых материалов на образцах в виде пластины, включающий нагрев световым импульсом образца и измерение температуры его поверхности , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , на пути светового импульса перед образцом помещают полупрозрачную пластинку с известными свойствами , измер ют максимальное повышение температуры пластинки и по полученным данным определ ют коэффициент температуропроводности и теплоемкость . 8 то же врем  из формулы (1) следует , что точность измерени  теплоемкости С., определ етс  только точностью измерени  температуры и энергии светового импульса и существенно выше,чем в известном способе t2. Таким образом, предлагаемый способ позвол ет уменьшить относительную погрешность при определении теплоемкости до 1-2% и дает возможность предварительно не полировать поверхность переднего торца и не использовать эталонные покрыти , что упрощает процесс определени  теплоемкости . Рассто ние между полупрозрачной пластинкой 2 и передним торцом образца 3, которое составл ет примерно 0,05-0,1 диаметра полупрозрачной пластинки, выбираетс  таким дл  того, чтобы потери световой энергии через зазор между полупрозрачной пластин- , кой и образцом составл ли не более l полной энергии светового .импульса. Более значительные потери энергии светового импульса через указанный зазор привод т к существенному снижению точности, при определении теплоемкости предложенным способом. Коэффициент температуропроводности рассчитываетс  по формуле (3) с той же точностью, что и в известном спо собе 12. Предлагаемый способ можно использовать при изучении теплофизических свойств диэлектриков, полупроводников , металлов и сплавов, а также при создании промышленных теплофизических приборов. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Y. Takahashi, М. ffurabayashi, Mesurement of Thermal Properties of 5 №clear Material by Lazer Flash T thord. 3 of NucI Science and Technology 1975, 12.03 p.p. Ш-Щ,
2. 2. Парцхаладзе К.Г. Сб,. Исследовани  в области тепловых измерений. Изд-во Стандартов, M., 1971, c.c. 35-37 (прототип).

   9f Ж J

   xz

   .

   .

   r.

   J , 2

   -fi