Способ определения теплопроводности материалов

Способ определения теплопроводности материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев последовательно установленных эталонного образца с известной теплопроводностью и исследуемого образца подвижным точечным источником тепловой энергии, перемещаемым вдоль поверхности образцов с постоянной скоростью , и измерение датчиком температуры , перемещаемым со скоростью источника на фиксированном расстоянии от него, избыточной предельной температуры поверхности образцов по линии нагрева, отличающийся , что, с целью расширения области применения способа за счет обеспечения возможности определения теплопроводности анизотропных материалов, исследуемый образец выполняют с двумя взаимно перпендикулярными плоскими поверхностями, перпендикулярными главным осям теплопроводности образца , устанавливают направление перемещения источника энергии и датчика i температуры параллельным одной из главных осей теплопроводности, затем последовательно-осуществляют сканирование по плоским поверхностям вдоль каждой из трех главных осей теплопроводности образца, после чего осевые коэффициенты теплопроводности определяют по формулам: бэт Q . , -, бэт 02 Af в, 03 / 02 03 , .. Ээтвз t где Л , Д.,1 jj - осевые коэффициенты теплопроводности об- i разца соответственно (Л вдоль первого, второго и третьего направлений перемещения источника энергии и датчика температуры; ч )®2 (9з избыточные предельные температуры поS4 верхностей образца СО на линии нагрева вдоль первого, вто00 О) рого и третьего на .правлений перемещений источника энергни и датчика температуры; коэффициент, теплопроводности эталонного образца; 6jT - избыточная предельная температура поверхности эталонного образца на линии нагрева.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19} (11} (51}4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Вэт Вз 3- 3+ В

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3717872/24-25 (22) 30.03..84 (46) 15.09.85. Бюл. Р 34 (7?) В.В.Березин, В.М.Коростелев, Ю.A.Ïîïîâ и В.Г.Семенов (7 1) Московский ордена Трудового

Красного Знамени геологоразведочный институт им.Серго Орджоникидзе (53) 536.6(088.8) (56) Попов 10.А. Некоторые особенности применения активного теплового метода контроля. — Дефектоскопия, 1975, }I- 2, с. 56.

Авторское свидетельство СССР

II - 1032382, кл. G 01 N 25/18, 1981. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ TEIIJIOIIPOВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев последовательно установленных эталонного образца с известной теплопроводностью и исследуемого образца подвижным точечным источником тепловой энергии, перемещаемым вдоль поверхности образцов с постоянной скоростью, и измерение датчиком температуры, перемещаемым со скоростью источника на фиксированном расстоянии от него, избыточной предельной температуры поверхности образцов по линии нагрева, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения способа за счет обеспечения возможности определения теплопроводности анизотропных материалов, исследуемый образец выполняют с двумя взаимно перпендикулярными плоскими поверхностями, перпендикулярными главным осям теплопроводности образца„ устанавливают направление перемешения источника энергии и датчика температуры параллельным одной из главных осей теплопроводйости, затем .пост(едовательно.осуществляют сканирование по плоским поверхностям вдоль каждой из трех главных осей теплопроводности образца, после чего осевые коэффициенты теплопроводности определяют по формулам:

Вэт 84 эт

2 3 где т,, 3 — осевые коэффиЦиенты теплопроводности:об- а разца соответственно вдоль первого, второго и третьего направлений перемеще- С» ния источника энер" гии и датчика температуры, 8„, Ну,.дз - избыточные предельные температуры поверхностей образца на линии нагрева вдоль первого, второго и третьего на- 00 .правлений перемеще- ©Ф ний источника энер- гии и датчика температуры, — коэффициент, тепло5т проводности эталонного образца, дат - избыточная предельная температура поверхности эталонного образца на линии нагрева.

1179186

Изобретение относится к технической физике.

Цель изобретения — расширение области применения способа за счет обеспечения возможности определения теплопроводности аниэотропных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплопроводности материалов, 10 включающему нагрев последовательно установленных эталонного образца с известной теплопроводностью и исследуемого образца подвижным точечным источником тепловой энергии, переме- 15 щаемым вдоль поверхности образцов с постоянной скоростью, и измерение датчиком температуры, перемещаемым со скоростью источника на фиксированном расстоянии от него, избыточной предельной температуры поверхности образцов по линии нагрева, исследуемый образец выполняют с двумя взаимно перпендикулярными плоскими поверхностями, перпендикулярными глав- р5 ным осям теплопроводности образца, устанавливают направление перемещения источника энергии и датчика температуры параллельным одной из главных осей .теплопроводности, затем по- 30 следовательно осуществляют сканирование по плоским поверхностям вдоль каждой из трех главных осей теплопроводности образца, после чего осевые коэффициенты теплопроводности

35 определяют по формулам: эт . я зт, эт д где Л Л ) — осевые коэффициенты 40

3 теплопроводности образца соответственно вдоль первого, второго и третьего направлений перемещения источника энергии и датчика температуры, 0.1, 8, 65 - избыточные предельные температуры по- 50 верхностей образца на линии нагрева вдоль первого, второго и третьего направлений перемеще- 55 ний источника энергии и датчика температуры;

Лэ — коэффициент теплопроводности эталонного образца;

8 т — избыточная.предельная температура поверхности эталонного образца на линии нагрева.

Изготовление на.исследуемом образце двух взаимно перпендикулярных плоских поверхностей, перпендикулярных главным осям теплопроводности образца, установление первоначального направления перемещения источника энергии и датчика температуры параллельным одной из главных осей теплопроводности, двукратное изменение направления перемещения источника энергии и датчика температуры относительно исследуемого образца и осуществление в процессе указанных перемещений операций нагрева и измерения избыточной предельной температуры двух взаимно перпендикулярных поверхностей образца по линии нагрева вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений (главных осей теплопроводности) позволяют на основе полученных соотношений для температурного поля анизотропного тела, нагреваемого подвижным точечным источником энергии, определить осевые коэффициенты теплопроводности образца, т.е. решить задачу определения теплопроводности анизотропных материалов.

На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа, Точечный источник 1 тепловой энергии и датчик.2 температуры размещены над эталонным образцом 3 с известной теплопроводностью и исследуемым образцом 4. На эталонном и исследуемом образцах обозначена линия, вдоль которой в процессе перемещения источника 1 энергии и датчика 2 температуры происходит нагрев образцов и измерение избыточной температуры их поверхностей. Направления перемещения источника и датчика температуры обозначены стрелками. На представленном чертеже главные оси теплопроводности исследуемого образца обозначены буквами, Х, Y u Z а соответствующие им осевые коэффициенты теплопроводности

Л1 > "2> 3

Способ осуществляют следующим образом.

3 117918

На исследуемом образце 4 произвольной формы изготавливают две взаимно перпендикулярные плоские поверхности, перпендикулярные любым двум главным осям теплопроводности образца. Эталонный образец 3 и исследуемый образец располагают последователь- но. Выбирают направление перемещения точечного источника 1 энергии и датчика 2 температуры таким, чтобы оно 10 было параллельным одной из главных осей теплопроводности исследуемого образца, например оси Х. Затем точечный источник 1 энергии постоянной мощности и жестко связанный с ним датчик 2 температуры начинают перемещать с постоянной скоростью в выбранном. направлении вдоль поверхностей эталонного и исследуемого образцов. В процессе нагрева эталонного и исследуемого образцов измеряют датчиком температуры избыточную предельную температуру их поверхностеи по линии нагрева вдоль укаэанного направления. После нагрева и измерения избыточной предельной температуры на части поверхности исследуемого образца а изменяют направление перемещения точечного источника энергии и датчика температуры на перпендикулярное первоначальному направлению. Осуществляют нагрев образца источником энергии и измеряют датчиком температуры избыточную предельную температуру поверхности исследуемого образца по линии нагрева вдоль укаэанного в р то о-З5 го направления (второй главной оси теплопроводности образца 7). Затем повторно измеряют направление перемеще ния источника энергии и датчика

40 температуры на перпендикулярное первоначальное нагреваемой поверхности исследуемого образца. Осуществляют нагрев точечным источником энергии второй поверхности образца, перпенй дикулярной первоначально нагреваемой, и измеряют датчиком температуры изэтой быточную предельную температуру это поверхности по линии нагрева вдоль указанного третьего направления (трести тьей главной оси теплопроводности образца Z). источника Harpeaa, у 9 — осевые коэффициенты теплопроводности в направлении главных осей теплопроводности

Xi 7, Z.

Соотношение для температурного поля в бесконечном анизотропном твердом теле за счет. действия подвижного точечного источника энергии, перемещающегося вдоль оси Х с постоянной скоростью V (начиная с момента времени =0) в системе координат, совмещенной с источником энергии, может быть получено на основе применения метода источников путем интегрирования соотношения (1) по времени и представле" ния координаты х, как функции време- . ни.

Таким образом, в рассматриваемом режиме нагрева избыточная температура произвольной точки анизотропного тела :9 (х,у,z) определяется соотношением

t (cp ) 3/

e(xwz) = (2) Всу у 2 (к ч (-й))Д. .,„р, П .которое путем;замены переменных

Rj(с приводится к виду

9 (кьл) = (3) а ср . з

Известно что температурное поле бесконечного анизотропного твердого тела с осевыми коэффициентами тепло- 55 проводности A<, h<, и в направлении главных осей теплопроводности Х, Y u Z обусловленное действием мгно6 4 венного неподвижного точечного источника энергии, расположенного в начале координат, в момент времени

t=O определяется соотношением ((ср) д (Г а Д,Д,,1 з)Ф, (1)

° екР - + + где 6 (х,у,z) — избыточная температура точки тела с координатами (х,у, z)

Ч вЂ” мощность источника энергии, — объемная теплоемкость образца, — время, отсчитываемое с момента воздействиМ

1179186 где V — - скорость перемещения точечного источника энергии, с

Из соотношения (5) следует, что, если полубесконечное анизотропное твердое тело с осевыми коэффициента45 ми теплопроводности Д;,, 2, Д5 в направлении главных осей теплопроводности Х, Y, Z и граничной поверхностью, совпадающей с плоскостью

ХУ, нагревать подвижным точечным источником энергии, перемещающимся вдоль оси Х с постоянной скоростью, и жестко связанным с источником энергии датчиком температуры измерять избыточную предельную температуру поверхности тела по линии нагрева на фиксированном расстоянии позади источника (т.е. в формуле (5) положить х<0, y=z=O), то измеряемая

В предельном режиме нагрева, т.е. при t oa, выражение (3) может быть представлено-через. элементарные функции. Таким образом, избыточная предельная температура произвольной точки бесконечного анизотропного тела с осевыми коэффициентами теплопроводности Д„, Дт, Д3 в направлении главных осей теплопроводности Х, Y,:

Z обусловленная действием подвижного точечного источника энергии, перемещающегося вдоль оси Х с постоянной скоростью, в подвижной системе координат, совмещенной с источником энер- 20 гии, будет определяться соотношением

Я. (Х,У Х ) хг Уг 22 (4)

4 / Л Д Л вЂ” + — т

2 3 д„д

Х У Z

25 сР Х,Л Д Х1

/ + — +— " — — (—. >

2 / „ / ) а для полубесконечного твердого тела с граничной поверхностью, совпадающей

30 с плоскостью XY по которой вдоль оси

Х перемещается точечный источник, поле избыточных предельных температур определяется соотношением

99 (Х,У,Z) г г () 35

21ifA A il

2 3

ХТ у. 22

Л Л Х

Я (-, . - 40 температура ф, будет определяться соотношением

9.

2%/x V4 4, (6)

+ где м — избыточная предельная температура поверхности полубесконечного тела на линии нагрева при направлении перемещения источника энер.гии и датчика температуры вдоль оси х

jх — расстояние между точечным источником энергии и датчиком температуры.

Аналогично можно получить, что при наличии направления перемещения источника энергии и датчика температуры вдоль оси Y измеряемая избыточная предельная температура 0 на линии нагрева будет определяться со" отношением

Ф

2%/х/Л (9) где 8 — избыточная предельная температура поверхности иэотропного тела на линии нагрева;

h — теплопроводность изотропного тела.

Для того, чтобы полученные для полубесконечных тел формулы (6)-(8) были справедливы для исследуемого аниэотропного образца 4, а формула (9) — для эталонного иэотропного образца Э, необходимо, чтобы размеры образцов превьппали расстояние между

2 />/Vfl з (7) а для полубесконечного тела с граничной поверхностью, совпадающей с плоскостью XZ, при направлении перемещения источника и датчика вдоль оси 2, измеряемая избыточная предельная температура 83 на линии нагрева будет определяться соотношением

93 2 /Х/б „д (8)

Известно, что при нагреве полубесконечного изотропного тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура поверхности тела на линии нагрева, измеряемая датчиком температуры, перемещающимся на фиксированном расстоянии позади источника, определя- ется формулой.1179186

Вэт Вт эт з

2р в, в

hy — осевые коэффициенты 15 теплопроводности исследуемого образца соответственно вдоль первого, второго и третьего направлений р перемещения источника энергии и датчика температуры, совпадающих с главными осями теплопроводности Х, У, Е; пт — теплопроводность эталонного образца, 8,9,8 — избыточные предель2., температуры по-4р верхности исследуемого образца на линии нагрева вдоль указанных направлегде точечным источником 1 энергии н датчиком 2 температуры f х I, Поскольку величина q12%/х ) остается постоянной в процессе нагрева и измерений как для эталонного, так и для исследуемого образцов, то имеют место следующие формулы, по которым после измерения трех избыточных предельных температур по линии нагрева 1р на двух поверхностях исследуемого образца :9,92, e : и избыточной предельной температуры поверхности эталона, 8>z определяют осевые коэффициенты теплопроводности исследуемого 15 образца: эт о1 (10) эт ний перемещения то- чечного источника и датчика температуры, О т — избыточная предельная температура по,верхности эталонного образца на линии нагрева.

Преимущество предлагаемого технического решения перед способом-прототипом заключается. в том, что предлагаемый способ обеспечивает определение осевых коэффициентов теплопроводности.анизотропных материалов и, следовательно, имеет более широкую область применения.

В предлагаемом способе в качестве точечного источника энергии может быть использован, например, луч лазера типа ИЛГН-704 с длиной волны 10,6 мкм и мощностью в пучке 5 Вт.

Измерение избыточных предельных температур может быть осуществлено, например, бесконтактным датчиком на основе пироэлектрического.приемника МГ-30 путем регистрации теплового излучения нагреваемой почерхности, Способ характеризуется малой поP грешностью.измерений теплопроводности, не превьппающей 2-3Х, и высокой производительностью. Как показали лабораторные испытания, время, необходимое для определения осевых коэффициентов-теплопроводностч одного анизотропного образца (с учетом затрат времени на изготовление у образца двух поверхностей путем алмазного пиления), не превьппает

10 мин. Это гозволяет проводить исследование 50 анизотропных образцов за смену.

1179186 1

Составитель В.Битюков

Редактор М.Петрова Техред Т.Дчбинчак Корректор В.Синицкая

Заказ 5655/43 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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