Способ определения коэффициента температуропроводности веществ

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик полупрозрачных веществ. Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента температуропроводности полупрозрачных веществ за счет уменьшения влияния радиационной составляющей теплового потока на результаты измерений. Плоский образец заданной толщины нагревают модулированным по гармоническому закону тепловым потоком, измеряют температуру на тыльной стороне образца и для двух значений частоты модуляции теплового потока, различающихся в два раза, измеряют фазу колебаний температуры и ее амплитуду, по величинам которых рассчитывают искомую характеристику. 3 ил,

СОЮЗ СОВЕ1СКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

10313 f сг2 а— (21) 4911337/25 (22) 18.02.91 (46) 07.04.93, Бюл, М 13 (71) Институт теплофизики Уральского отделения АН СССР (72) А.В.Смотрицкий, В.E,Çèíîâüåâ и

А.А.Старостин (56) 1, Платунов Е, С. Теплофизические измерения и приборы, Л,: Машиностроение, 1986, с. 55 — 57.

2, Филиппов Л.П, Измерение теплофизических свойств веществ, М,: Энергоато. миздат, 1984, с. 45 — 47. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭcDФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ

ВЕЩЕСТВ .

Изобретение относится к области теплофиэических измерений, в частности к способам измерения теплофизических свойств материалов и может быть использовано в лазерной и космической технике при разработке и производстве современных композиционных, керамических и других конструктивных материалах.

Цель изобретения — повышение точности измерения коэффициента температуропроводности, Укаэанная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента температуропроводности полупрозрачных веществ, включающем измегение толщины образца, нагрев плоского образца, воздействие на него модулированным по гармони„„ЯХ „„1807362 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик полупрозрачных веществ. Цель изобретения — повышение точности определения коэффициента температуропроводности полупрозрачных веществ эа счет уменьшения влияния радиационной составляющей теплового потока на результаты измерений, Плоский образец заданной толщины нагревают модулированным по гармоническому закону тепловым потоком, измеряют температуру на тыльной стороне образца и для .. двух значений частоты модуляции теплового потока, различающихся в два раза, измеряют фазу колебаний температуры и ее амплитуду, по величинам которых рассчитывают искомую характеристику. 3 ил, ческому закону тепловым потоком с частотой соответствующей фазе колебаний температуры на поверхности образца в диапазоне 120-160 С, измеряют амплитуду колебаний температуры, удваивают частоту модуляции теплового потока, измеряют амплитуду и фазу колебаний температуры, а коэффициент температуропроводности рассчитывают по формуле: где f — частота модуляции теплового потока, соответствующая фазе колебания 120-160 С (Гц);

0 — толщина образца (м);

1807362

55 (А pc1 . pc2)

;)1 де А = - — отношение амплитуд колеба 2 ний температуры на частоте, соответствующей фазе 120-160 и удвоенной частоте соответственно; р:1 — фаза колебаний температуры на частоте, соответствующей фазе в диапазоне

120 — 160 (град), Pc2 — фааа КОЛЕбаНИй тЕМПЕРатУРЫ На удвоенной частоте (град), Измерение амплитуды колебаний температуры на поверхности образца при воздействии на него теплового потока с частотой, соответствующей фазе колебаний

120-160, измерение амплитуды и фазы колебаний после удвоения частоты и расчет коэффициента температуропроводности по предлагаемой формуле обеспечивает уменьшение погрешности измерения коэффициента температуропроводности с 11 до3 j,.

На фиг. 1 представлен график зависимости pK= f (А, pc); на фиг. 2 представлены векторные диаграммы, поясняющие уменьшение влияния радиационной составляющей на результаты измерений коэффициента температуропроводности; на фиг. 3 представлена схема устройства, реализующего предложенный сопосб.

Способ определения коэффициента темпе ратуро про водности осуществляется следующим образом. Диапазон фазы колебаний температуры поверхности образна взят 120-160О, При фазе колебаний температуры образца менее 120 не выполняются с достаточной точностью принятые в методе плоских температурных волн допущения, а также усиливается влияние теплообмена, что увеличивает погрешность измерения, В случае, если фаза колебаний температуры образца более 160, амплитуда сигнала на удвоенной частоте недопустимо мала, что приводит к дополнительным ошибкам определения фазы и амплитуды и, следовательно, коэффициента температуропроводности, Пример 1. В качестве материала образца взят оксид бериллия с 40 /,-содержанием окиси магния, Измеряют толщину исследуемого плоского образца, нагревают до температуры

1500 С, воздействуют на образец тепловым потоком, модулированным по гармоническому закону с частотой f1 соответствующей фазе колебаний 12СО, измер:",от амплитуду колебаний температуры и фазовую задержку методом плоских температурных волн.

Проводят измерение амплитуды колебаний О1 и фазы колебаний рс1 на частоте f1 Регистрируют результаты измерений.

Увеличивают частоту в 2 раза и проводят те же измерения на частоте f2 = 2f1, По результатам измерений соотношения амплитуд

О1

А = — по графику (фиг. 1) находят фазу

10 колебаний р кондуктивная (р), свободную от влияния радиационной составляющей. График (фиг, 1) зависимости p< = f (А, pc) получен экспериментальным путем для А = 1,5; 2; 2,5; 3.

В предлагаемом способе уменьшения влияния радиационной составляющей на результаты измерения коэффициента температуропроводности проиллюстрировано векторными диаграммами (фиг. 2)

При частоте f1 =- 0,67 Гц, p1 = 120 измерены амлитуда сигнала Uc = 6,2 К, амплитуда кондуктивной составляющей Ок = о

=-3,6 К, амплитуда радиационной составляющей Up = 3,6", <рк = 150, фаза колебаний

25 радиационной составляющей pp =- 90

При частоте f2 =. 2f1 1,34 Гц измерены

Ос=35 С, Ок=-1,21 К. Uð=36 К, pк=

=193,5О, Pc1 = 109,6О. Рр = 90Р

Величина относительной погрешности определения кондуктивной составляющей коэффициента температуропроводности предлагаемым способом для образца толщиной 2 мм составляет 3 %

Aà 2 2hu + 2 Луж где Лр, = Ap, (-.- .) е-(ЛА-Д) — абсолютная погрешность определения величины д к д <Рк — " и д- -и роизводн ых зависимости д <рс по аргументам рс и А соответственно;

Л pc — абсолютная погрешность определения фазы сигнала (была принятой 1, как и в и ро тоти и е);

ЛА — абсолютная погрешность определения отношения амплитуд сигналов =0,05 (для наихудшего случая);

Лфк = "(1,1 18) +(0,05 2,2) =2,1

Подставляются в расчетную формулу для погрешностей следующие значения величин: о = 2 мм. = 120, рс1 = 109,6О, А =

=1,77, рк = 150О, а = 5,0 м /с, ак = 2,5 м /с, определяется относительная погрешность

1807362 определения коэффициента температуропроводности предлагаемым способом:

ha 2 0,01 + 2 2,1 003

Пример 2. Устанавливают частоту, соответствующую фазе колебаний температуры на поверхности исследуемого образца

140О, воздействуют на образец тепловым 10 потоком, модулированным по гармоническому закону, измеряют амплитуду колебаний Oi и фазу колебаний р,1 на частоте

fi = 1,12 Гц. Регистрируют результаты измерений. Увеличивают частоту в 2 раза и про- 15 водят те же измерения на частоте fg = 21 =

=2,24 Гц.

По результатам измерений соотношения амплитуд А и по графику(фиг, 1) находят р 20

Погрешность определения коэффициента температуропроводности при фазе

p,=- 140 составляет = 3 7, при v =2,0 мм.

po = 140 F1 = 132,4 (р =-160

А=-З,Оац1 =5,1 10 м /с ак=3,5 10 м /с ац --12,1 10 м с

-6 г *, -6 г/

Пример 3, Устанавливают частоту, соответствующую фазе колебаний температуры исследуемого образца 160, воздействуют на образец тепловым потоком, модулированным по гармоническому закону, измеряют амплитуду колебаний Oi u фазу колебаний p„> на частоте f = 2,00 Гц, Регистрируют результаты изерений, Увеличивают частоту в 2 раза и проводят те же измерения при частоте fy = 21, По результатам измерений соотношения амплитуд А и по графику (фиг. 1) находят рК, Погрешность определения коэффициента температуропроводности при фазе =

160 составляет - 3 . при о =2,0 мм p< = 160 p,i = 171,2"

А =5,27 р, = 172,5" ац = 6,24 10 м /с ак=5;07 10 м /с

Предлагаемый способ может быть реализован следующим устройством (фиг, 3)

Устройство содержит лазер 1 (тип ИЛГИ-703) исследуемый плоский образец 2, установленный напротив лазера 1.

Устройство содержит также камеру с системой тепловых экранов 3, допускающего нагрев до 2000 С, нагреватель 4, малоинерционный пирометр 5 (тип ЛОП-72), аналого-цифровой измеритель 6 (тип ДВКЗМ), связанную через интерфейс с лазером

1 и камерой 3.

Колебания температуры обратной поверхности образца регистрируют с помощью чувствительного малоинерционного пирометра, напряжение с Bbixoда которого поступает в аналого-цифровой измеритель

6 для измерения фазы и амплигуды колебаний температуры. Цифровая ЗВМ-7 регистрирует полученные данные и управляет ходом эксперимента по заданной nporpaMме. Полученные результаты выдаются цифровым печатающим устройством в виде таблицы, На основании полученных результатов величину кондуктивной составляющей К0эффициента температуропроводности расчитывают по формуле:

10313 f o а =где B f (A, pс1 pсг)

Î1 где А = - — отношение амплитуд колеуг баний те лпературы на частоте, соответствующей фазе 120-160 и удвоенной частоте соответственно;

pet — фаза колебаний температуры в диапазоне 120 — 160 (град); рсг — фаза колебаний температуры на удвоенной частоте (град);

f — частота модуляции теплового потока (Гц): ст- толщина образца (м), Величина В рассчитывается по формуле:

 — 60 41 77 — 14,99 Ф + 6,78 Фг „

А г

5,43 — 4,44 Ф + 2,45

+ С (0,1 Ф вЂ” 0,07Фг

4,146 — 1,121 Ф + 0,396 Ф А

1,095 —. 0,573 Ф + 0,25 4") Аг

+ С 10 (— 281 — 046Ф+1,14Ф+

247 — 1079Ф+247Фг

А . 32,77 — 22,15 Ф+ 12,96 1 ) + С 3 10 5

Аг (- 22 + 72 Ф вЂ” 48 Ф +

+ А

248 — 320 Ф + 197 Фг

+ г

615 — 652 Ф+ 365 Фг

А где Ф = (q" c - 140)/20;

C = (p„. 100);

1807362

Рсе расчетные зависимости и величины . л жены для удобства в память ЭВМ.

Использование заявляемого изобретения обеспечивает по сравнению с прототипом получение следующих технико-экономических преимуществ: — погрешность определения коэффициента температуропроводности в предлагаемом способе 3 %, в прототипе 11 %, т. е, меньше; — сокращение продолжительности процесса определения коэффициента температуропроводности, т. к. измерения проводятся с одним образцом, по сравнению с прототипом, где измерения проводятся с 3 образцами; — предлагаемый способ определения коэффициента температуропроводности имеет более широкие функциональные возможности, так как этим способом можно измерить с высокой точностью коэффициент температуропроводности и оптически толстых образцов; — предлагаемый способ позволяет диагостировать прямые засветки через образец, т. е. раскалывание образца.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента температуропроводности веществ, включающий нагрев плоского образца заданной толщины модулированным 10 гармоническому закону тепловым потоком, измерение температуры на тыльной стороне образца и

5 фазы ее колебаний на двух частотах модулированного теплового потока, значения которых различаются в два раза, и последующее вычисление искомой характеристики, о т ли ч а ю шийся тем, что, с целью повышения

10 точности onðåäåëåíèë коэффициента температуропроводности полупрозрачных веществ за счет уменьшения влияния радиационной составляющей теплового потока на результаты измерений, дополни15 тельно измеряют амплитуду колебаний температуры на частоте, соответствующей фазе 720-160, и удвоенной частоте, а искомую характеристику вычисляют по формуле, а = 10313 f д /В2, где f — частота модуляции теплового потока; д — толщина образца;

 — коэффициент, зависящий от отношения амплитуд колебаний температуры на частоте, соответствующей фазе 120 — 160, и удвоенной частоте, а акже фаз колебаний температуры на этих частотах.

1Р07362

Составитель А.Смотрицкий

Текред М,Моргентал Корректор Н,Ревская

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1375 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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