Способ измерения разности температур между противоположными поверхностями покрытия,нанесенного на металлическую подложку

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< и 775633 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 080179 (21) 2710357/18-10 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 3 01 08 О. Бюллетень ¹ 4 О

Дата опубликования описания 301080 (51) М. K .

G 01 К 7/ОО

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 536. 53 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Ю.A. Загромов и B Â. Куликов

Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.M.Êèpîâà (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР МЕЖДУ

ПРОТИВОПОЛОЖНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ ПОКРЫТИЯ, НАНЕСЕННОГО HA МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ПОДЛОЖКУ

Изобретение относится к области тепловых измерений и может быть использовано при исследовании теплофизических свойств покрытий в вакууме.

Известен способ измерения разности температур между противоположными поверхностями покрытия с помощью двух параллельно расположенных в потоке жидкости пленочных датчиков температуры, на один иэ которых с двух сторон нанесено исследуемое покрытие 11.

При этом способе непосредственно измеряют температуру только одной поверхности покрытия, что может быть сделано с высокой точностью, если считать, что между подложкой и нанесенным на нее покрытием имеется идеальный тепловой контакт. Этот способ не может быть использован для измерений в вакууме, необходимость которых вызвана тем, что теплофизические свойства многих материалов покрытий, имеющих пористую структуру,25 в значительной степени зависят от степени разрежения среды.

Известен способ измерения разности температур между противоположными сторонами покрытия в вакууме при действии на образец со стороны металлической подложки потока тепла с помощью датчиков температуры, один из которых располагается я подложке, другой крепится на поверх ости покрытия I2 j.

Однако этот способ совершенно не пригоден для покрытий, толщина которых соизмерима с размерами датчика, так как приводит к большим ошибкам в измерениях.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения разности температур между противоположными поверхностями покрытия, нанесенного на металлическую подложку, заключающийся в том, что на образец, размещенный в вакууме, воздействуют постоянным тепловым потоком со стороны подложки, регистрируют изменение температуры подложки (металлической пластины) и дополнительной металлической пластины, находящейся в контакте с покрытием (31.

Однако при измерениях в вакууме термическое сопротивление контакта. покрытия с металлическими пластинами может быть соизмеримым или значитель775633 ероьуо1 1 ° нГо ьц н ) е

К„К(Ъ+к

Х=я ч о 1 К " 0 6(< К) 1, (2) а в случае нагрева со стороны покрытия

40 к KalC Г 3+@1 эх=о("o)= .к А у к !, )+ ч=ееуо = 1 к еро уЕ н ече

t(7.,C)-<, — начальная температура оараноа; начальная температура образца, )(=Х Ж вЂ” безразмерная координата; о=С1 l — критерий Фурье, с1 — коэффициент темлературопроводности, С вЂ” время, 8 — толщина, 55

К1=с ht<, — критерий Кирпичева; плотность теплового потока, коэффициент теплопроводности, К=,р (барц)

С9 — объемная теплоемкость.

I )

Из сопоставления выражений <2) и (3) видно, что в слу ае нагрева образца со стороны подложки безразмер.но больше сопротивления самого покрытия, что значительно уменьшает точ-. ность измерения. Сжатие с целью уменьшения контактного сопротивлений приводит к деформации образца и его разрушению.

Цель изобретения — повышение точности измерения разности температур.

Поставленная цель достигается тем, что после нагрева образца его охлаждают до начальной температуры, воздействуют на образец тепловым по- 1О током со стороны покрытия и регистрируют изменение температуры подложки, а искомую разность температур определяют по разности зарегистрированных значений температуры в двух режимах нагрева в момент времени, при котором регистрируемые значения температур изменяются линейно.

Этот способ основан на использовании решения задачи распространения тепла в двухслойной пластине, одна иэ поверхностей которой теплоизслирована,а на другую действует поток тепла постоянной мощности, в предположении, что теплопроводность материала подложки во много раз больше теплопроводности покрытия, что позволяет пренебречь изменением температуры по толщине лодложки. Изменение безразмерной температуры покрытия в квазистационной стадии нагрева тепловым и потоком, действующим со стороны подложки, имеет вид ная избыточная температуры поаерх1 ности покрытия 9Х р будет изменяться также, как и температура подложЦ ки 9„св случае, если таким же потоком действовать со стороны покрытия, т.е. будет выполняться тождество я ее

Уе етое которое в размерном виде можно записать как ,.3 (О . -) = 0Н о,с где д ф(х,С) - t,o) — избыточная температура образца.

Помимо таких факторов, как неодномерность температурного поля, зависимость теплофизкческих свойств от температуры, устраняемых общеизвестными способами, решающую роль в отклонении условий. эксперимента от теоретических играет конечность величины теплолроводности материала лодложки, оценка влияния которой сделана путем сравнения решения задачи для случая, когда теплолроводность материала подложки стремится к бесконечности, к аналогичного решения при конечном значении коэффициента теплопроводностк материала подложки.

Расчеты показали, ч о ошибка в измерении температуры В при 1 °, меньшем

5 ° 10 (где )Ъ = « )„ / — отношение тепловых сопротйвленкй подложки к покрытия) в интервале изменений К от

0,1 до 10 не превышает 1Ъ. Проведение экспериментов з вакууме прк давлении ниже 10 мм рт.ст. и нагрев образца не более чем .на (5-7) С позо воляет свести до минимума потери телла со свободной ловерхчостк образца.

При проведении измерения предпочтительно использовать бесконтактный способ нагрева лучистым потоком. В этом случае для выполнения условий равенства потоков необходимо предварительно измерить величину интегрального коэффициента поглощения свободных поверхностей покрытия и подложки при выбранной температуре.

Измерение разности температур данным способом осуществляют следующим образом.

Образец с предварительно измеренными коэффкциентамк поглощения лучистой энергии свободных поверхностей покрыткя к подложки, помещенный в термостатическую вакуумную камеру, нагревают лучистым потоком со стороны подложки, регистрируя при этОм кзмененке температуры подложки во времени до тех пор„ пока эта зависимость не станет линейной. После этого между источником к образцом помещают датчик лучистого потока, замеряют величину падающего потока к устанавливают с учетом коэАйицкента поглощения поверхности покрытия велкчи775633

IJ (ot) ну потока, требуемую для выполнения условий равенства поглощенного потока на облучаемых поверхностях образца. После того, как образец охладится до начальной температуры, его поворачивают другой стороной и убирают датчик потока. Далее также регистрируют температуру нагрева образца до того момента, когда температурно-временная зависимость не будет линейной.

Искомую величину определяют иэ сопоставления полученных графиков как раэ- о ность измеренных значений температур для любого момента времени в интервале, когда оба графика линейны.

На чертеже приведены графики зависимости регистрируемой температуры от 15 времени в двух случаях нагрева образца.

Интервал температур, в котором данный способ может быть использован (-60- +150) С, ограничен с одной сто- 2О роны возможностями выпускаемых в настоящее время термостатов, так как требует высокой точности поддержания температуры стенки камеры, с другой стороны, при более высоких температурах начнут сказываться потери тепла с поверхности образца излучением.

В качестве источника лучистой энергии может быть использована 30 лампа ДКСР-3000, а в качестве датчика потока — термостолбик С-589. Измерение температуры с высокой точностью могут быть проведены термопарой, холодный спай которой размещен 35 на стенке камеры.

Использование предлагаемого способа повышает точность измерения разности температур, что позволяет более точно определить теплофизичес- @ кие характеристики различных материалов.

Формула изобретения

Способ измерения разности температур между противоположными поверхностями покрытия, нанесенного на металлическую подложку, заключающийся в том, что на образец, размещенный в вакууме, воздействуют постоянным тепловым потоком со стороны подложки, регистрируют изменение температуры подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения разности температур, после нагрева образца его охлаждают до начальной температуры, воздействуют на образец тепловым потоком со стороны покрытия и регистрируют изменение температуры подложки, а искомую разность температур определяют по разности зарегистрированных значений температуры в двух режимах нагрева в момент времени, при котором регистрируемые значения температур изменяются линейно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 477315, кл. G 01 К 7/00,26.07.73.

2. Богданов W.Ï., Пирогов A.Þ. i

Макаров Л.П. Исследование эффективной теплопроводности и интегральной излучательной способности покрытий из тугоплавких соединений окислов получаемых способом газоплаэменного напыления.-"Теплофизика высоких температур", т. 3, М 1, 1965, с. 6470.

3. Егоров Б.Н., Кондратенко В.И.

Нестационарный метод измерения теплопроводности твердых тел.-Теплофизика высоких температур, т. 6, Р 5, 1968, с. 901-904 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 7717/57

Тираж 713 Подписное

Филиал ППП"Патент", r. Ужгород, ул . Пр э ктная, 4