Способ определения теплофизических свойств материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике. Для определения коэффициентов тепло- и температуропроводности твердых и дисперсных материалов используют два одинаковых источника тепла постоянной мощности, которыми воздействуют на теплоизолированные эталонный и испытуемый материалы в виде ограниченных стержней. В результате действия источников тепла и измерения температур в фиксированной и подвижной точках контроля определяют скорость изменения температуры и среднюю скорость перемещения подвижного датчика температуры. Технический результат - повышение точности. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. Область применения - определение теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов.

Известен способ определения теплофизических свойств материалов (ТФС), основанный на принципе квазистационарного режима, в котором неограниченную пластину толщиной 2R нагревают с обеих сторон тепловым потоком постоянной мощности Q и регистрируют значения температур на поверхности и в центре пластины (Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. - M.: Физматгиз, 1962, с.177-182).

Недостатком этого способа является длительное время наступления квазистационарного теплового режима для неограниченной пластины и необходимость внедрения датчика температуры в центр исследуемого материала.

Известен также способ, наиболее близкий к данному техническому решению определения ТФС, заключающийся в том, что исследуемый образец нагревают источником тепла постоянной мощности, измеряют температуру поверхности образца датчиком температуры при взаимном относительном перемещении по прямой линии образца и датчика, жестко связанного с источником тепла, измеряют амплитудное значение импульсного сигнала датчика, определяют скорость перемещения источника тепла и зависимости координат точки визирования датчика от времени (авт.св. СССР №1695203, G 01 N 25/18, 1991).

Недостатком способа является низкая точность и сложность проведения измерений.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и упрощение проведения теплофизических измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что используют источники тепла постоянной мощности, которыми воздействуют на теплоизолированные эталонный и испытуемый материалы в виде ограниченных стержней равной длины, источники тепла имеют одинаковую мощность и прикладываются к одному из торцов стержней, при наступлении квазистационарного теплового режима измеряют значения температур датчиком температуры в фиксированной точке контроля испытуемого материала и подвижным датчиком температуры в точке контроля эталонного материала, подвижный датчик перемещают вдоль стержня так, чтобы контролируемые значения температур были равны, определяют скорость изменения температуры и среднюю скорость перемещения подвижного датчика, а ТФС испытуемого материала определяют по формулам:

где _X=(x₂-x₁)/(τ₂-τ₁),

a₂ - коэффициент температуропроводности испытуемого материала, λ₂ - коэффициент теплопроводности испытуемого материала, а₁ - коэффициент температуропроводности эталона, λ₁ - коэффициент теплопроводности эталона, R - длина стержней, ϑ_Т - скорость изменения температуры, ϑ_X - средняя скорость перемещения подвижного датчика температуры, х₁ - координата точки контроля подвижного датчика в начале измерений, х₂ - координата точки контроля подвижного датчика в конце измерений, τ₁ - время регистрации квазиустановившегося теплового режима и начала измерений, τ₂ - время окончания измерений, q - мощность источников тепла.

Приведенные формулы получают на основании следующих рассуждении. При действии на теплоизолированный стержень ограниченной длины с одного из торцов источником тепла постоянной мощности и при наступлении квазистационарного теплового режима, наступающего при значениях , имеет место параболическое поле температур для каждой точки х:

На основании (1), скорость изменения температур будет описываться выражением

Таким образом, для испытуемого материала скорость изменения температуры в любой точке контроля будет постоянной и равна В результате перемещения вдоль стержня эталонного материала подвижного датчика температуры так, чтобы контролируемое значения температуры было равно значению температуры в точке контроля испытуемого материала, получим:

В соответствии с (1) и (2), получим:

где выражение (х₂-х₁)/(τ₂-τ₁) - средняя скорость перемещения подвижного датчика температуры.

Из системы уравнений:

ТФС испытуемого материала определяют по формулам:

На чертеже показана схема устройства, реализующая предлагаемый способ определения ТФС.

Устройство содержит эталонный 1 и испытуемый 2 материалы в виде стержней длиной R, на торцах которых устанавливают одинаковые нагреватели 3, стабилизированного источника питания 4, подвижного датчика температуры 5, устанавливаемого и перемещаемого вдоль стержня эталонного материала, датчика температуры 6, устанавливаемого на испытуемом материале. Сигнал от термопар поступает на вход операционного усилителя с дифференциальным входом 7, управляющего реверсивным двигателем 8, который обеспечивает через винтовую передачу перемещение подвижного датчика температуры 5, сигнал от датчика температуры 6 также поступает на вход дифференциатора 9.

Способ осуществляют следующим образом. На эталонный и испытуемый материал воздействуют нагревателями заданной постоянной мощности 3, устанавливаемой источником питания 4. В момент времени τ₁, когда регистрируют квазистационарный тепловой режим, т.е. скорость изменения температуры измеряемая дифференциатором 9 постоянна, датчик температуры 5 автоматически устанавливают в точку х₁. В результате работы операционного усилителя 7, реверсивного двигателя 8 сигналы от термопар уравновешивают и в момент времени τ₂ регистрируют координату х₂ и среднюю скорость перемещения подвижного датчика температуры.

Применение предлагаемого способа позволяет определять коэффициенты тепло- и температуропроводности, повысить точность определения ТФС испытуемых материалов и упростить процесс измерений по сравнению с прототипом в результате использования эталонного материала и подвижного датчика температуры, перемещаемого лишь в одном направлении.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийся в нагреве испытуемого материала источником тепла постоянной мощности, измерении температуры подвижным датчиком температуры, отличающийся тем, что используют теплоизолированные эталонный и испытуемый материалы в виде ограниченных стержней равной длины, два источника тепла одинаковой мощности прикладывают к одному из торцов стержней, при наступлении квазистационарного теплового режима измеряют значения температур датчиком температуры в фиксированной точке контроля испытуемого материала и подвижным датчиком температуры в точке контроля эталонного материала, подвижный датчик перемещают вдоль стержня так, чтобы контролируемые значения температур были равны, определяют скорость изменения температуры и среднюю скорость перемещения подвижного датчика, а искомые теплофизические свойства испытуемых материалов рассчитывают по формулам

где ϑ_X=(х₂-х₁,)/(τ₂-τ₁,);

а₂ - коэффициент температуропроводности испытуемого материала;

λ₂ - коэффициент теплопроводности испытуемого материала;

a₁ - коэффициент температуропроводности эталона;

λ₁ - коэффициент теплопроводности эталона;

R - длина стержней;

ϑ_T - скорость изменения температуры;

ϑ_X - средняя скорость перемещения подвижного датчика температуры;

x₁ - координата точки контроля подвижного датчика в начале измерений;

х₂ - координата точки контроля подвижного датчика в конце измерений;

τ₁ - время регистрации квазиустановившегося теплового режима и начала измерений;

τ₂ - время окончания измерений;

q - мощность источников тепла.

РИСУНКИ

Рисунок 1