способ определения теплофизических характеристик материалов

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий многократное тепловое воздействие на исследуемый материал, измерение температуры его поверхности в двух заданных точках, отличающийся тем, что на теплоизолированную поверхность исследуемого материала помещают два точечных источника тепла Q₁ и Q₂, выделяющих после каждого очередного теплового импульса заданную энергию, две термопары располагают соответственно: первую на расстоянии R от точечного источника Q₁ и на расстоянии от точечного источника Q₂, вторую - на одинаковом расстоянии от Q₁ и Q₂, производят многократное тепловое воздействие на исследуемый материал, после чего фиксируют период следования импульсов, соответствующий времени достижения равенства температур в точках расположения термопар и температуру в точке расположения первой термопары, а коэффициенты тепло- и температуропроводности рассчитывают по формулам





где C₁ = 1, коэффициенты C_i (i = 2, 3, ..., n-1) рассчитывают по формуле



а и - коэффициенты температуро- и теплопроводности;

Q - заданное количество тепла;

R - расстояние между первой термопарой, регистрирующей температуру T1, и точечным источником тепла Q₁;

F - частота следования тепловых импульсов;

температура поверхности исследуемого материала в точке контроля в момент времени = n₀;

₀ = 1/F - период следования тепловых импульсов;

n - число осуществляемых тепловых воздействий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения коэффициента температуропроводности полуограниченного тела в виде стержня, основанный на регистрации интервала времени с момента подачи теплового импульса до момента, соответствующего достижению наперед заданного соотношения между температурами двух разноотстоящих от нагреваемой поверхности точек (aвторское свидетельство CCCP N 258665, МКИ G 01 N 25/18, 1970 г.).

Недостатком данного способа является высокое энергопотребление источником тепла и низкая точность определения температуропроводности.

Значительно повысить точность определения теплофизических характеристик (ТФХ) позволяют способы с многократным тепловым воздействием на исследуемый материал.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (Авторское свидетельство CCCP N 1728755, МКИ G 01 N 25/18, 1992 г.), на теплоизолированной поверхности исследуемого материала устанавливают линейный источник тепла, осуществляют многократное тепловое воздействие на исследуемый материал и измеряют температуру на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от этой линии. При этом импульсное тепловое воздействие производят в моменты времени, когда соотношения измеряемых избыточных температур соответствует заданному ряду чисел. Коэффициенты тепло- и температуропроводности определяют по формулам

a=x²/4F, (1)

(2)

где a и - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности, x - заданное расстояние от линии действия источника тепла до термодатчика, e - натуральное число, Q - энергия, выделяемая единицей длины линейного нагревателя, F - частота следования импульсов, T₁ - избыточная температура в момент подачи второго теплового импульса на расстоянии x от источника тепла.

Период следования импульсов _max = 1/F определяется выражением

(3)

Недостатком этого способа является недостаточное быстродействие, а также высокое энергопотребление источником тепла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергопотребления источником тепла и повышение оперативности определения теплофизических характеристик (ТФХ) материалов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Hа теплоизолированную поверхность исследуемого материала помещают два точечных источника тепла Q₁ и Q₂ и два датчика температуры (термопары), причем первую термопару Тп1, регистрирующую температуру T1, располагают в точке M₁ на расстоянии R от источника Q₁ и на расстоянии от источника Q₂, а вторую термопару Тп2, регистрирующую температуру T2, в точке M₂ на одинаковом расстоянии от Q₁ и Q₂.

В момент начала измерения ( = 0) оба точечных источника одновременно импульсно выделяют количества тепла Q и 3Q соответственно. После подачи тепловых импульсов фиксируют момент времени = ₀ равенства температур T1 и T2 на поверхности исследуемого материала.

В момент времени = ₀ точечные источники Q₁ и Q₂ вновь осуществляют одновременный нагрев исследуемого материала, причем количество тепла, выделяемое точечным источником Q₂, остается неизменным и равным 3Q, а точечный источник Q₁ выделяет количество тепла C₂Q, где C₂ - постоянный коэффициент, методика расчета которого приведена ниже.

Коэффициент C₂ подобран так, что равенство температур T1 и T2 после подачи второй пары импульсов от точечных источников Q₁ и Q₂ будет достигнуто в момент времени = 2₀.

В момент времени = 2₀ точечные источники Q₁ и Q₂ одновременно выделяют количество тепла C₃Q и 3Q соответственно, где C₃ - постоянный коэффициент, обеспечивающий равенство температур T1 и T2 в момент времени = 3₀ и т.д.

Интервал времени ₀, соответствующий периоду повторения импульсов, определяется выражением

(4)

(5)

где F = 1/₀ - частота следования импульсов.

Коэффициент теплопроводности определяют по формуле

(6)

где температура в точке M₁ в момент времени = n₀.

(7)

Коэффициенты C₂, C₃, ..., C_n обеспечивают постоянство периода повторения импульсов ₀ и могут быть найдены из рекуррентного соотношения

(8)

где C₁ = 1.

Из сравнения выражений (3) и (4) видно, что при равенстве расстояний R и x период повторения импульсов в предлагаемом способе в ln3 раза меньше, чем в способе-прототипе. Таким образом, за счет меньшего периода повторения импульсов предлагаемый способ обеспечивает большее быстродействие, чем способ-прототип.

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа. На теплоизолированную поверхность исследуемого материала 1 помещают точечные источники тепла 2 и 3 (Q₁ и Q₂ - соответственно) и датчики температуры (термопары Тп1 и Тп2) 4, причем первую термопару Тп1, регистрирующую температуру T1, располагают в точке M₁ на расстоянии R от источника Q₁ и на расстоянии от источника Q₂, а вторую термопару Тп2, регистрирующую температуру T2, в точке M₂ на одинаковом расстоянии от Q₁ и Q₂, производят многократное тепловое воздействие импульсами заданной энергии на исследуемый материал, после чего фиксируют частоту следования импульсов и избыточную температуру в точке M₁. На основании полученных данных коэффициенты температуро- и теплопроводности рассчитывают по формулам (5) и (6) соответственно.

На персональной ЭВМ IBM 486/DX-4 было проведено машинное моделирование процесса измерения теплофизических характеристик предлагаемым способом для восьми (n = 8) импульсов при R = 0.002 м и Q = 0.1 Дж. В качестве исследуемого был взят материал с коэффициентом теплопроводности = 1.2 Bт/мK и коэффициентом температуропроводности a = 1.010^-6 м²/с. В процессе моделирования были получены величины времени ₀ = 0.9102 c и температуры по формуле (7) рассчитан коэффициент S₈ = 2.5236 и по формулам (5) и (6) найдены соответствующие коэффициенты:

- коэффициент теплопроводности = 1.2 Bт/мK,

- коэффициент температуропроводности a = 1.010^-6 м²/с.

Результаты моделирования приведены на фиг. 2.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить оперативность измерений и значительно снизить энергопотребление источником тепла.