Способ определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено для определения ТФХ твердых неметаллических материалов. Целью изобретения является повышение точности измерений ТФХ. В способе проводят измерения перепадов температур на прослойках, имитирующих балластные тепловые сопротивления. В устройство введены две пары корректирующих датчиков температуры. Термочувствительные элементы каждой пары расположены по обе стороны прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление, а поверхности технологических прослоек тепломеров , контактирующие с исследуемым образцом, покрыты металлической эвтектикой . 2 с. и 1 з.п.ф-лы. 3 ил. (О сл со ел 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

° СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1357813 (5l)4 G 0l N 25 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4054242/31-25 (22) 23.04.86 .,(46) 07.12 ° 87.Бюл. Il» 45 (71) Институт технической теплофизики АН УССР (72) Т.Г.Грищенко, Л.В.Декуша, О.А.Геращенко, В.П.Сало, В.И.Шаповалов и П.В.Кацурин (53) 536.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1111084, кл.G Ol N 25/18, 1984.

Авторское свидетельство СССР

11» 1111083, кл.G 01 N 25/18, 1983.

Авторское свидетельство СССР

11» 1165957» кл. G 01 М 25/18, 1984. (54) СПОСОБ OIIPEgEJIEHHH ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к теплофиэическому приборостроению и предназначено для определения ТФХ твердых неметаллических материалов.

Целью изобретения является повышение точности измерений ТФХ. В способе » проводят измерения перепадов температур на прослойках, имитирующих балластные тепловые сопротивления. В устройство введены две пары корректирующих датчиков температуры. Термочувствительные элементы каждой пары расположены по обе стороны прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление, а поверхности технологических прослоек тепломеров, контактирующие с исследуемым образцом, покрыты металлической эвтектикой. 2 с. и 1 з.п.ф-лы. 3 ил.

1 13578

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и прецназначено для определения теплофизических характеристик (ТФХ} плоских

5 образцов твердых неметаллических материалов в квазистационарном тепловом режиме на основе теплопоточных измерений.

Цель изобретения — уменьшение погрешности определения теплопроводности и температуропроводности исследуемого образца.

На фиг.1 представлена схема ðàñположения тепломеров, датчиков температуры и прослоек относительно исследуемого образца; на фиг.2 — графики распределения температур и плотностей теплового потока по сечениям в кваэистационарном тепловом режи- 20 ме; на фиг.3 — конструктивная схема устройства.

На фиг.1 обозначены тепломеры 1 и 2, контактирующие с исследуемым об- 25 разцом, дополнительные тепломеры

3 и 4, неразьемно соединенные попарно с имеющимися тепломерами и 2 соответственно, датчики 5 и 6 температуры поверхностей тепломеров 1 ЭО и 2, контактирующих с исследуемым образцом, пары корректирующих датчиков

7, 8 и 9,10 температуры, технологические контактные прослойки 11 и 12, прослойки 13 и 14, имитирующие бал.— ластные тепловые сопротивления, исследуемый образец 15, нагреватели

16 и 17.

На фиг.2 X Х,, „ — коор1оБр 2 обр динаты поверхностей исследуемого об- щ разца; Х,, Х, Х, Х вЂ” координаты серединных сечений тепломеров — 4;

Х, Х, Х,, Х,, Хэ и Х„, — координаты сечений, в которых расположены термочувствительные элементы датчиков 5 — 10 температуры.

Устройство, реализующее способ, содержит теплообменник 18, тягу 19, коромысло 20, винт 21, шарнир 22, стакан 23 подвижного экрана, пассивную теплоизоляцию 24 подвижного экрана, колпак 25, защитный кожух 26.

В основу способа определения ТФХ положено решение одномерной задачи теплопроводности для бесконечной однородной пластины толщиной h = 2Н.

Скорость изменения температуры на поверхностях пластины задана одинаковой и постоянной (b=cons1:). Разность!

3 температур поверхностей пластины то-. же постоянна, При реализации предлагаемого способа плоский образец исследуемого материала помещают между двумя блоками программированного изменения температуры (например, нагревателями ), с помощью. которых производят разогрев с постоянной и одинаковой скоростью обеих поверхностей исследуемого образца при неизменной разности температур эгих поверхностей.

Между нагревателями и поверхностями образца помещены измерители температуры (датчики температуры) и теплового потока (тепломеры), (фиг.1), В качестве датчикоэ температуры мо— гут быть использованы, например, термопары, а в качестве измерителей плотности теплового потока — термоэлектрические тепломеpb!, выполненные по принципу вспомогательной стенки.

Если в качестве имитационных прослоек принять прослойки 13 и 14 (Лиг. ), ограниченные сечениями, проходящими через координаты Х и X <, X 9 и Х „термочувствительных элементов корректирующих датчиков

7 — 10 температуры, сумму перепадов температур, измеренных этими парами датчиков температур, можно представить следующим образом

Н (Х8 X 3,33к 0 6+ о 3

dT + dT .М ° +

8- 3 9- 1С 1

Н (Х 9 Х«)3 <9 Я + Яо

1 где q,о, q,, q „ — плотности теплового потока в упомянутых сечениях.

В силу идентичности по теплофизическим свойствам и геометрическим размерам обеих имитационных прослоек !

3 и 14 имеет место равенство

Н (Х Х ) Р(Х X«)

Х используя которое, а также учитывая условия расположения имитационных прослоек на одинаковом расстоянии от поверхностей теплсмеров, контактирую— щих с исследуемым образцом, линейности изменения теплового потока по з 1357813 4 толщине, можно равенство (! ) преоб- чиков 7, 8 и 9, 1 О температуры на разовать к виду имитационных прослойках 13 и 14, т.е. лт + дт = к Я- --Я -. (2)

8-2 9- о 1 2 5

AT — ж (s sTr a aT,. ) . (4)

Безразмерная константа z не зависит от температуры, поскольку она равна отношению эффективных тепловых сопротивлений, находящихся при близких температурах.

Расчетные соотношения для искомых теплопроводности и температуропроводности npHHHMBþò вид

Если рассмотреть отношение температурной поправки d Т к сумме 2 — 2, (3) т -.+ Ъ ° получим выражение температурной поправки Ут через безразмерную константу а» и сумму перепадов температур, измеренных парами корректирующих дат-"5

Од5 1I (Я1+ Яг) За температуру отнесения принимается среднеобъемная температура, определяемая интегралом г

Т Т(Х) dx.

Н(Х .— Х )

1оор гоар (7) Расчетная формула для температуры отнесения, полученная после ряда преобразований, имеет вид

3 Т5-g аг

Т = Т + — — — — (1+ -"- — ) (8)

Отн 3 Ч+ Ч

1 2

В устройство, реализующее способ определения ТФХ, сожержащее два блока программированного изменения температуры и две пары контактирующих между собой тепломеров 1 и 3,2 и 4, из которых тепломеры 1 и 2, контактирующие с исследуемым образцом 15,снабжены датчиками 5 и 6 температуры поверхностей контакта с исследуемым образцом 15, дополнительно введены две пары корректирующих датчиков 7,8 и 9,10 температуры.

Термочувствительные элементы датчиков

5 и 6 температуры расположены в массиве тепломеров 1 и 2 таким образом, что их отделяют от поверхностей контакта с исследуемым образцом технологические прослойки 11 и 12. Термочувствительные элементы двух пар корректирующих датчиков 7,8 и 9,10 температуры расположены по разные стороны от имитационных прослоек 13 и

14 соответственно, которые выполнены таким образом, что их серединные сечения равноудалены от поверхностей (- - - — - — -- — y7. (6) + Ч тепломеров и 2, контактирующих с исследуемым образцом.

Верхний блок программированного изменения температуры выполнен в виде электрического нагревателя 16, а другой блок — в виде нагревателя 17, неразъемно соединенного хорошим тепловым контактом !например, пайкой 1 с теплообменником 18.

Стабильность теплового контакта тепломеров 1 и 2 с исследуемым образцом обеспечена пр>вменением металлической эвтектики, наносимой на поверхность технологических контактных прослоек 1! и 12 тепломероь 1

35 и 2, контактирующих с исследуемым образцом 15, а также постоянной сдавливающей нагрузкой, создаваемой с помощью механизма нагружения. Ме4О ханизм нагружения передает усилие на образец 15 через тяги 19, коромысло 20, винт 21 и шарнир 22. скрепленный с нагревателем 16.

Для уменьшения теплообмена с

45 окружающей средой и создания требуемого температурного режима верхний нагреватель 16 и образец 15 окружены подвижным экраном, выполненным

50 в виде стакана 23, из высокотеплопроводного материала. На внутренней боковой поверхности стакана 23 смонтирован слой пассивной теплоизоляции

24 из экранно-вакуумного теплоизоля55 ционного материала. Все устройство в сборке накрыто колпаком 25, в качестве которого использован сосуд Дьюара в защитном вакуумплотном кожухе 26.

135781

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 15 помещают в зазор между тепломерами l и 2. С

5 помощью винта 2! образец нагружают с требуемым усилием и опускают подвижный экран 23 и колпак 25, Внутренний объем под колпаком 25 вакуумируют и с помощью блоков програм- 1О мированного изменения темгературы прогревают сборку до температур, превышающих температуру плавления металлической эвтектики, нанесенной на поверхности прослоек 11 и 12 тепломеров 1 и 2, контактирующих с иссле дуемым образцом. Эта операция обеспечивает равномерное заполнение метал-. лической эвтектикой шероховатостей поверхности образца 15 и значительно (на 2-3 порядка ) уменьшает контактное тепловое сопротивление. После выдержки устройства при этой температуре устанавливают один иэ режимов программированного изменения температуры.

Первый режим включает охлаждение с помощью теплообменника 18 до нижнего значения диапазона рабочих температур устройства при фиксированной заданной разности температур между нагревателями 16 и 17 и постоянной скорости изменения температуры.

Второй режим включает охлаждение с произвольной скоростью до нижнего значения диапазона рабочих температур с последующим нагревом до верхнего значения диапазона рабочих температур при фиксированной заданной разности температур и постоянной скорости иэ- 40 менения температуры.

Третий режим (циклический ) включает нагрев до верхнего значения диапазона рабочих температур с последующим охлаждением до нижнего значе- 4> ния диапазона рабочих температур при фиксированной заданной разности температур между нагревателями 1б и 17 и постоянной скорости изменения температуры с неоднократным повторением цикла.

По достижении на любом из указанных режимов квазистационарного теплового .состояния, о чем судят по постоянству показаний тепломеров, свидетельствующему о постоянстве тепловых потоков во времени, производят

lj регистрацию показаний всех тепломеров и датчиков температуры и обработку их по расчетным формулам.

Способ и устройство позволяют повысить точность измерения ТФХ, в частности теплопроводности и температуропроводности на 27. за счет уче-. та теплового сопротивления контактных технологических прослоек путем измерения корректирующими датчиками температуры перепадов температур на прослойках, имитирующих балластное тепловое сопротивление, а также за счет улучшения теплового контакта соприкасающихся поверхностей тепломеров и исследуемого образца путем покрытия поверхностей тепломеров, контактирующих с исследуемым образцом, металлической эвтектикой, теплопроводность которой на несколько порядков выше, чем эффективная теплопроводность газов или жидких органических смазок, применяемых обычно для снижения контактного тепловоro сопротивления

Формула и з обретения

1.Способ определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов, заключающийся в измерении плотности теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности плоского образца, температур этих поверхностей, изменении плотностей теплового потока по толщине тепломеров, одновременно являющихся образцами сравнения с известными теплофизическими свойствами, и вычислении искомых характеристик, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения погрешности определения теплофизических характеристик, в частности теплопроводности и гемпературопроводности, дополнительно измеряют перепады температур н» прослойках, имитирующих балластные тепловые сопротивления контакта, а искомые теплопроводность и температуропроводность вычисляют по шормулам

А(Т5 ) Х (L Т + А Т ) 1357813

qã,) )). С(Ят — Яггде Л е

Q— ((„) — (Л Т,, + Т„, теплопроводность температуропроводность; — толщина исследуемого образца;

q,Чг — плотности теплового потока, проходящего ч ере з пов ерхность исследуемого образца; — изменения плотности теплового потока по толщине об15 разцов сравнения с известными теплофизическими свойствами; и Т вЂ” разность температур сечений, проходящих через координаты термочувствительных элементов датчиков температуры поверхностей тепломеров, контактирующих с исследуе25 мым образцом; ат и

3 Т, — перепады температур на прослойках, цитирующих балластные тепловые сопротивления контакта; с — константа, учитывающая известные теплофизические свойства образцов сравнения;

, у — безразмерные константы, не зависящие от температуры. З5

2. Устройство для определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов, включающее два соосно и последовательно расположенных блока программированного изменения температуры исследуемого образца, на каждом из которых на обращенных одна к другой поверхностях установлены неразъемно с упомянутыми поверхностями два контактирующих меж- 45 ду собой тепломера, причем один из них, контактирующий с исследуемым образцом, снабжен датчиком температуры поверхности тепломера, контактирующей с исследуемым образцом, о т л и г-л ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности определения, оно дополнительно содержит две пары корректирующих датчиков температуры, при этом термочувствительные элементы каждой пары корректирующих датчиков температуры расположены по обе стороны прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта и размещенной между блоком программированного изменения температуры и поверхностью ближайшего тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, при этом серединное сечение каждой прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта, равноудалено от поверхности ближайшего тепломераq контактирующего с исследуемым образцом, а эффективное тепловое сопротивление каждой прослойки, имитирующей балластное тепловое сопротивление контакта, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективное тепловое сопротивление слоя, расположенного между сечением, проходящим через координату термочувствительного элемента датчика температуры поверхности тепломера, контактирующего с исследуемым образцом, и этой поверхностью тепломера.

3. Устройство по и. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности определения теплофизических характеристик за счет улучшения теплового контакта с поверхностями исследуемого образца, поверхности тепломеров, контактирующих с исследуемым образцом, покрыты металлической эвтектикой с температурами фазовых превращений, лежащими за пределами диапазона рабочих температур устройства.!

357813

1357813

Z

7Е

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул. Проектная, 4 /г

Щю. 3

Составитель В.Гусева

Редактор П.Гереши Техред дцдык Корректор А.Зимокосов

Заказ 5990/42 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Г2