Способ определения теплофизических свойств материалов

Способ определения теплофизических свойств материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕШЮФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев эталона и исследуемых образцов точечным источником энергии, перемещаемым вдоль эталона и образцов с постоянной скоростью, регистрацию датчиком температуры избыточных предельных температур поверхности эталона и образцов по ЛИНИИ нагрева с фиксированным отставанием от источника энергии и определение теплопроводности образцов по зарегистрированным избыточным предельным температурам, о тлича.ющийся тем, что,, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения температуропроводности и области применения способа путем дифференциации областей с различными теплофизическими свойствами в неоднородных материалах одновременно по всей исследуемой поверхности образцов, перед нагревом эталона и исследуемых образцов подвижным точечным источником энергии нагревают эталон и исследуемые образцы равномерно распределенным источником энергии в течение определенного заданного заранее времени, регистрируют температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности эталона И исследуемых образцов, что осуществляют преимущественно при помощи быстродействующего .тепловизора или пленки жидких кристаллов, по темпер51турному g распределению выделяют интересующие (/} области образцов, измеряют, интервалы времени после включения равномерно-распределенного источника, когда из-, быточная температура поверхности эталона и вьщеленных областей исследуемых образцов достиг.ает заданного заранее одинакового для эталона и исследуемых образцов значения, и после определения теплопроводности выделен ных областей, проведенного с помощью подвижного точечного источника по результатам измерений определяют температуропроводность выделенных облаIto стей.

COOS СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

4 (51) -G 01, N 25 18

t г

|pc, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЖ (211 3623954/24-25 (22) 22.07.83 (46) 07.02.85. Бюл. Ф 5 (72) Ю. А. Попов (71 ) Московский ордена Трудового Кра сного Знамени геологоразведочный институт им. С. Орджоникидзе (53) 536.629.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 211835, кл. G 01 1Ч 25/18, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке У 3373088/18-25, кл. Q 01 М 25/18, 27.09.82 (лрототип), (54)(57) СПОСОБ ОИРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев эталона и исследуемых образцов точечным источником энергии, перемещаемым вдоль эталона и образцов с постоянной скоростью, регистрацию датчиком температуры избыточных предельных температур поверхности эталона и образцов по линии нагрева с фиксированным отставанием от источника энергии и определение теплопроводности образцов по зарегистрированным избыточным предельным температурам, о т л и ч а .ю шийся тем, что,. с целью расширения функциональных возможностей путем измерения температуропроводности и области применения способа путем дифференциации областей

„Я0„„1138722 А с различными теплофизическими свойствами в неоднородных материалах одновременно по.всей исследуемой поверх. ности образцов, перед нагревом эталона и исследуемых образцов подвижным точечным источником энергии нагревают эталон и исследуемые образцы равномерV но распределенным источником энергии в течение определенного заданного заранее времени, регистрируют температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности эталона и исследуемых образцов, что осуществляют преимущественно при помощи быстродействующего .тепловизора или пленки жидких кристаллов, по температурному Я распределению выделяют интересующие области образцов, измеряют. интервалы времени после включения равномерно - распределенного источника, когда из-, быточная температура поверхности эта Ф лона и выделенных областей исследу" ф Ф емых образцов достигает заданного за ранее одинакового для эталона и исследуемых образцов значения, и после )иий определения теплопроводности выделен.-. ных областей, проведейного с помощью. подвижного точечного источника, по результатам измерений определяют температуропроводность выделенных обла- © стей.

1 11387

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано; для определения теплофизических свойств материалов, например при геологических и минералогических иссле5 дованиях.

Известен. способ определения теплопроводности твердых тел, заключающийся в том, что создают тепловой поток сначала на эталонном образце, а затем на исследуемом образце и по результатам измерений температурных перепадов на эталонном и исследуемом образцах определяют теплопроводность исследуемоro образца 513, Недостатком данного способа является необходимость измерений на двух противоположны:.. поверхностях образца и отсутствие в .зможности регистрировать распределение тепловых свойств по образцу при его неоднородности.

Известен способ определения теплофизических свойств твердых тел, заключающийся в том, что осуществляют нагрев эталона и исследуемык образцов 5 точечным источником энергии, перемещаемым вдоль эталона и образцов с постоянной скоростью, регистрируют датчиком температуры избыточные предель ные температуры поверхности эталона

30 и образцов по линии нагрева с фиксиро-, ванным отставанием от источника энергии и определяют теплопроводность образцов по зарегистрированным избыточным предельным температурам 1 2).

Однако ввиду отсутствия картины распределения тепловых свойств по образцу при исследованиях неоднородных образцов не удается сразу выявить интересующие области образца и исследовать их теплофизические свойства, а приходится подвергать построчному исследованию весь образец, и, кроме того, ввиду использования нагрева только одним типом источника нельзя определить температуропроводность интересующих областей неоднородного образца.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем измерения температуропроводности и области применения способа путем дифференциации областей с различными теплофизическими свойствами в неоднородных материалах одновременно по всей исследуемой поверхности образцов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических свойств материалов, включающему нагрев эталона и исследу емых образцов точечным источником энергии, перемещаемьм вдоль эталона и образцов с постоянной скоростью, регистрацию датчиком температуры избыточных предельных температур поверхности эталона и образцов по линии нагрева с фиксированным отставанием от источника энергии и опреде- . ление теплопроводности образцов по зарегистрированным предельным температурам, перед нагревом эталона и исследуемых образцов подвижным точечным источником .энергии нагревают эталон и исследуемые образцы равномерно распределенным источником энергии в течение определенного заданного заранее времени, регистрируют температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности эталона и исследуемых образцов, что осуществляют преимущественно при помощи быстродействующего тепловизора или пленки жидких кристаллов, по температурному распределению выделяют интересующие области образцов, измеряют интервалы времени после включения равномерно распределенного источника., когда избыточная температура поверхности эталона и выделенных областей исследуемых образцов достигает заданного заранее одинакового для эталона и исследуемых образцов значепия, и после определения теплопроводпости выделенных областей, проведенного с помощью подвижного. точечного источника, по результатай измерений определяют температуропроводность выделенных областей.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Нагревают поверхность эталона и исследуемых образцов равномерно распределенным источником энергии,.который, например, может быть выполнен на основе серии (5-10 штук) электроламп типа КГИ-1000-220 с использованием плоского отражателя, в течение определенного, заданного заранее

I времени. В процессе нагрева или после его окончания регистрируют температурное распределение по нагретой поверхности эталона и исследуемых образцов. Такал регистрация может ..быть осуществлена, например, при помощи быстродействующего тепловизора (например; тепловиэоров "AGA-650", "АСА-680", "AGA-750", "AGA-780"). В

1138722 таком случае на экране тепловизора нагретая поверхность исследуемого неоднородного образца будет иметь неодинаковую светимость: отдельные области. неоднородного образца, отличающиеся своими тепловыми свойствами, нагреваются сильнее или слабее соседних областей и выделяются на экра-.. не тепловизора в виде более светлых или более темных областей, По тепловому изображению неоднородного образца на экране тепловизора можно выде.лить интересующие области для дальнейших исследований.

Быстродействие тепловизора должно быть таким, чтобы время фор ырования кадра было меньше, чем погрешность измерения временных интервалов от начала нагрева до момента регистрации температурного распределения по поверхности образцов.

Так,при измерении. временных интервалов с погрешностью +v,! с время формирования кадра должно составлять менее +0,1 с. Таким быстродействием, например, обладают перечисленные модели тепловизоров, время, .формирования. кадра у которых составляет (1/251/!6) с в зависимости от модели. Разрешающая способность тепловизора ro температуре должна быть не хуже 0,2О,З К, чтобы исключать необходимость сильного разогрева исследуемых об,разцов и эталона, приводящего к возрастанию погрешности измерений вследствие температурнои зависимости теп35 лофизических свойств материалов и ограничению применимости способа при исследованиях влагонасыщенных и мерзлых горных пород и строительных мате40 риалов. Разрешающая способность теп.— ловизорав перечисленных моделей, например, составляет 0,1-0,2 К.

Регистрировать температурное распределение одновременно по всей на45 гретой поверхности эталона и исследу" емых образцов можно также при использовании пленки жидких кристаллов, наносимой на нагреваемую поверхность исследуемых образцов.

Известно, что при нагреве полубес50 конечного тела равномерно распределенным источником избыточная температура нагреваемой поверхности опре-. деляется следующими соотношениями: в процессе нагрева

2 qq

11иг (1) или после выключения источника, действовавшего в течение времени Т

l 128 а, е — (" 2(t-т) "1 г)

Л

1 где 9 — избыточная температура нагреваемой поверхности тела;

q — плотность потока энергии через нагреваемую поверхность; — теплопроводность тела; а — температуропроводность тела; — время от начала нагрева до момента регистрации температуры;

Т вЂ” время действия источника.

Таким образом, тепловое изображение исследуемого неоднородного образца в любой момент времени в процессе нагрева или после включения источника характеризует распределение обобщенного параметра по образцу.

0 1/2

Наблюдая температурное р аспределение одновременно по всей нагретой поверхности исследуемых образцов (н а

I .экране тепловизора или по цветовому изображению пленки жидких кристаллов

У выделяют по нему те области образцов, которые представляют интерес для дальнейших исследований.

Далее измеряют время после включения равномерно распределенного источника, когда избыточная температура поверхности эталона и выделенных областей исследуемых образцов достигает. заданного заранее, одинакового для эталона и исследуемых образцов значе".. ния. Для этого, например, в случае применения тепловизора можно использовать светящуюся на экране тепловизора изотерму (регистрацию одной или нескольких изотерм обеспечивают многие, в .том числе и перечисленные, модели тепловизоров ). В"таком случае в начале измерений, перед нагревом, при наличии у тепловизора одной изотермы фиксируют для эталона и каждоо го исследуемого образца положение изотермы, соответствующее начальной температуре эталона и исследуемых образцов, а затем устанавливаюг изотерму в положение, соответствующее повышенному значению температуры, которое будут иметь эталон и образцы после включения источника.

При наличии у тепловизора двух изотерм (как, например, у тепловизо- ра модели "AGA-680") заранее устанавливают эти изотермы так, чтобы

1138722 выделенной области (Р „- 1 ((2 об р )

t1i2 It, Т )1(2

Эт Зт Э7 л h„ где 1, .:k — соответственно теплопроводность и температуропроводность вьщеленной области образца", 3,й — соответственно теплоТ проводность и темпера30 туропроводность эталона; время от начала дейст97 вия источника до момента совпадения установленной изотермы с изоб-З ражением эталона; время от начала действия источника до момента совпадения установленной изотермы с выделенной областью;

Т вЂ” время действия равномерно распределенного источника при нагреве исследуемого образца;

Т вЂ” время действия равномерно распределенного источника при нагреве эталона.

При измерениях в процессе нагрева о

2ьпя каждой вьделенной области опредебобщенный параметр огл но. соотношению .(1) 55 одна изотерма соответствовала начальной температуре эталона и исследуемых образцов, а вторая изотерма.— повышенному значению температуры, которую будут иметь эталон и иссле- 5 дуемые образцы в процессе нагрева.

При этом взаимное положение изотерм сохраняют постоянным в течение всего процесса измерений, В процессе нагрева или после выключения источника 10 фиксируют моменты времени, когда более высокотемпературная изотерма будет соответствовать поверхности эталона и выделенных областей поверхности образцов. По результатам измере- tS ний для эталона и кажцой выделенной области получают из (21 значение . обобщенного и раметра — для каждой (м

Такие же опер щип могут быть реализованы при помощи ленки жидких кристаллов, наносю1ой на нагреваемые поверхности эталона и исследуемых образцов, Далее осуществляют для каждого из образцов измерение теплопроводности материала выделенных областей.

Для этого перемещают точечный. источник тепловой энергии (например, луч лазера ИЛГН-704) с постоянной скоростью по поверхности последовательно расположенных эталона и исследуемых

:образцов. Линии нагрева должны проходить через выделенные области на исследуемых образцах, Измерителем температуры (построя.нным, например, на пироэлектрическом приемнике электромагнитного излучения нагреваемых поверхностей ) регистрируют избыточные предельные температуры нагреваемых поверхностей так, чтсбы точка регистрации температуры двигалась по линии нагрева вслед за точечным источником со скоростью, равной скорости точечного источника, с фиксированным отставанием от точечного источника.

По зарегистрированным избыточным предельным температурам эталона и вьщеленных областей исследуемых образцов определяют теплопроводность вьщеленных областей

I где 8 — избыточная предельная темпер атур а эталона;

8 — избыточная предельная температура вьщеленной области исследуемого образца.

После определения теплопроводности выделенных областей исследуемых образцов, проведенных с помощью точечного источника, определяют темпера" туропроводность выделенных областей по соотношению, следующему из (3) (6)

ЭТ 1 ((2. (g y gl/2 обр( при измерениях, выполненных после выключения равномерно распределенного источника, или по соотношению, следующему из (4)

il 1

1138 при измерениях, выполненных в процессе нагрева эталона и исследуемых образцов равномерно распределенным источником.

Пример, Требуется выделить области теl!. èçè÷åñêèõ неоднородпостей и определить теплопроводность и температуропроводность этих облас тей на образце горной породы, включающем сланец, вкрапленные пирит и 10 (г хальконирит. В качестве эталона выбирают образец белого мрамора с 3 д = .= 2,75 Вт/м.K и а эт = i 21 ° 10 м с.

В качестве равномерно распределенного источника используют источник, построенный на восьми лампах типа

КГМ-1000-220 с неравномерным шагом между лам, ами для достижения равномер-. ного теплового потока в области нагрева. Для регистрации температурного распределения нагреваемой поверхности эталона и исследуемого образца используют тепловизор модели "AGAоаэи, 680, имеющий две регулируемые изо,термы на своем экране.

Устанавливают две изотермы (низкотемпературную и высокотемператур\Г ную) так, чтобы разность температур, соответствующих этим изотермам, со! ставляла 5-7 К.

В поле зрения тепловизора помещают эталон и настраивают тепловизор так, чтобы низкотемпературная изотерма залолняла на экране поверхность эталона, т.е. соответствовала начальной температуре эталона. После этого на чинают нагрев поверхности эталона, иэображение которой наблюдали,на экране тепловизора, равномерно распределенным источником в течение 3,0 с.

После выключения источника. наблюдают

40 изображение нагретой поверхности эталона на экране тепловизора и фиксируют момент времени t после начала

Эт нагрева, когда высокотемпературная изотерма заполняет изображение на45 гретой поверхности эталона. Измерения показывают, что этот момент времени соответствует t = 12 1 с после

Эт включения равномерно распределенного источника.

После этого в поле зрения тепловизора помещают исследуемый образец горной породы, имеющий плоскую поверхность, так, чтобы плоская поверхнос гь 55 была обращена к приемной камере тепловизора. Настраивают тепловизор так, чтобы низкотемпературная изотерма за722 8 полняла на экране поверхность исследуемого образца. т.е. соответствова ла начальной температуре исследуемого образца горной породы. Разность температур между низкотемпературной и высокотемпературной изотермами остается неизменной, такой же, как и при нагреве и наблюдении эталона.

Затем начинают нагрев поверхности исследуемого образца, изображение которой наблюдали на экране тепловизора, равномерно распределенным источником 6,5 с. Большая, чем при нагреве эталона, длительность действия равномерно распределенного источника связана с тем, что исследуемый образец может содержать такие отличные от материала эталона минералы, как пирит и халькопирит, нагрев которых до заданной избыточной температуры требует . большего, чем нагрев эталона, времени.

После выключения равномерно распре- ,деленного источника наблюдают на экране тепловизора температурное распределение одновременно по всей нагретой поверхности исследуемого образца, выделяют по этому изображению области, которые представляют интерес для дальнейших исследований.

Затем фиксируют моменты времени после начала нагрева,исследуемого образца, когда высокотемпературная изотерма совпадает с упомянутыми областями (t„ = 8,8 с, и = 14,5 с, — 22,5 с, С,, = 52,1 с).

Далее помещают исследуемый образец на подвижную платформу вместе с эталоном, перемещают их так, чтобы подвижный точечный источник тепловой энергии (луч лазера типа ИЛГН-704) перемещался последовательно по исследуемому образцу и эталону с постоянной скоростью (5 -10 м/c), и регистрируют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности исследуемого образца и эталона по линии нагрева с фиксированным отставанием (1,5 10 2 м/с1. от точечного источника. Регистрацию избыточной предельной температуры осуществляют по элек ромагнитному излучению поверхности измерителем температуры, построенном на пироэлектрическом приемнике с использованием фокусирукнцей линзы и:из

J меряют избыточные предельные температуры.

Они составляют 6 = 1,30 К, 8 .=

2,2 К, 6 ..—. 3,2 К, ее т бэ3 К. По

Составитель В. Филатова

Редактор П. Коссей Техред Л.Коцюбняк Корректор О. Билак !

Заказ 10680/34

Тираж 897 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 11 соотношению (5) определяют теплопроводность выделенных обпастей

l3,3 Вт/м.К. 1 = 7,88 Вт/м.К, h =

5,41 Вт/м.К, Второй раэ измеряют избыточные предельные температуры для эталона и для последней из выделенных областей: 8 6,8 К, Ю, = 6,3 К.

По соотноюению (5) определяют теплопроводность последней вьщелен- ной области

hq= 2,5 Вт/м.К, Затем по результатам измерений по соотношению (6) определяют температуропроводность всех выделенных областей

CL = 2 90 10 м /с; р а = 2 21 ° 10 м7с; а = 1,80 10 . мыс; р, = 1,02 10 ì с.

Последующее изготовление шлифа исследуемого образца показывает, 38722 10 что в первой выделенной области содержится массивный пирит, во второй вкрапленный .пирит, третьей выделенной области — халькопирит, в четвертой области — сланец, Предлагаемый способ позволяет вы-. делять области неоднородности материала сразу по всей исследуемой поверхности образцов и дает возможность

1п определить совместно теплопроводность и температуропроводность вьщеленных областей.

Предлагаемый способ определения теплофизических свойств материалов успешно опробован в лабораторных ус-ловиях.

Предлагаемый способ может быть использован, например, для определения теплофизических свойств горных пород и руд с вьщелением рудных прожилков и других минеральных включений.