автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.04, диссертация на тему:Разработка импульсных методов измерения теплофизических характеристик материалов

М1Н1СТЕРСТВ0 ОСВШ УКРА1Ш ДЕРЖАВНИЯ УШВЕРСИТЕТ

3 Г б ОД "ЛЬВГВСЬКА ПОЛ1ТЕХН1КА"

На правах рукопису

ЦВВДОВ ЛЕОН1Д КОСТЯНТИКОВИЧ

УДК 53.059.6:536.6 Р03Р0БКА ШШЬСНЙХ МЕТ0Д1В ВЮЯРЮВАННЯ ТЕГШ0Ф13ИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАТЕРШИ

Сшц1альн1сть 05.11.04 - Прилади та метода вим1рювання

теплових. величин

АВТОРЕФЕРАТ ДИСЕРТАЦ1Г на вдобуття паукового ступени кандидата техн1чних наук

Льв1в 1994

Дисертац!™ е рукопис.

Робота виконана в 1нститут1 надтвердих матер1ал!в (1Ш) НАН УкрэЬги 1м.М.В.Бакуля, м. Ки1в.

НАУКОВИИ КЕИВНЖ - доктор техн1чкга наук, старший науковий сп1вро01тник

СЕМАШКО М.О.

ОФ1ЩИН1 ОПОНЕНТИ - доктор техн!чних наук, профьрор

ЛИСОВ 3.1.

доктор ф1з.- мат. наук, ирофесор

ПРОХОРЕНКО В.Я.

ПР0В1ДНА 0РГАН13АЩЯ-1нститут металургИ 1м. А. А. Байкова РАН, м.Москва.

Яахист в1дбудеться "^Ь" /ил^^^С, 1994р.о год. на

зас1данн1 спец1ал1зоЕЗно1 ради Д 068.36.04 при Державному Ун1верситет1 "Льв1вська пол1те7н1ка" за адресою: 290646, м.ЛъвЗв, вул.Степана Бандери, 12. 3 дисертаШею можна ознайомитися у 010л1отец1 Державного Ун1верситету "Льв1вська пол1техн1ка", вул.Степана Бендерк,12

Автореферат роз!сланий

" " 1994Р.

В1дгук на автореферат,засв!дчений печаткою, просимо кадсила-ти на адресу 1нституту вченому секретарев! ради.

ВЧЕНИИ СЕКРЕТАР С11ЕЦ1АЛ130ВАН01 РАДИ, к.т.н. ^ Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

АКТУАЛЬНЮТЬ ТЕШ. На сучасному етап1 розвитку науки та техн1ки потрЮно все зростаюча к!льк1сть нових матер1ал!в. При Ух виробництв! необх1дна р1зна 1нформац1я про властивос-т1 цих мзтер1зд1в при усяких умовах ексшуэтзцИ. Одними з основних властивостей е тепло<$1зичн1 характеристики (ТФХ): тешюпров1дн1сть, тешерэчуропров1дн1сть та теплоемн1сть.

Анал1тичн1 метода отнки ТФХ зараз практично в1дсутн1 та основним способом одержаяня ШформацП залишаеться експе-рименг. Причому, дуке важливо провести його за короткий в1д-р!зок часу, достатньр! точност1, з меншими витратами мэтер1-альних ресурс1в. У найб1льш1й м!р! цим вимогам в1длов1дають динам1чн! та 1мпульсн1 метода, як! у тепен1шн1й час олчржали широка розповсюдкення при масових вим!рюваннях ТФХ.

1"х теоретична обгрунтування та практична реал1зац1я. разпочата щэ наприк1нц1 50-х рок1в у наш!й крз!и1 Кондратье-вим Г. М., Дульневим Г. Н. та продовжена Платуновим е. С;«' а за кордоном Паркером, Тейлором та 1шими дослШшками. За оЩнкою Тейлора, до 85Я вс1х вш!рювань тешературопров'1ш1о-ст! у. св!т1 виконують 1мпульсними методами.

Проте ц1 метода мають ряд 1стотних вад. При- вихористан-Н1 динам1чних метод1в: вэлш1 розмхри зразку (д1з?,:отр близь' ко 10 ил, висота 15-30 юл); иеобхЩМсть, як правило, активно! тепло1золяц11 вим1рювально1 ком!рки, що приводить до II складност! та металоемкост1; контактовий1 п1дв1д. теплового вгашву на зразок - обметания швидкодН та температурного д1апазону, не б1льш 1200К. Для 1шульсних метод1в: мала про-дуктивн1сть та 1нформац1йн1сть (вимагаеться дек!лька хвшин для переходу до наступно! температурной точки); у багатьох випадках в!дсутн1сть урахування тепловкх втрат з поверхя! зразка, що приводить або до злачного збШъшення похибки, аба до звуження температурного д1апазону вимгрввання.

Таким чином, розробка високопродуктивних мэтод1в, доз-воляючих п1двищити точн1сть вим!рюваяня ТФХ матер!ал1в при наявност1 теплових втрат з поверхн! зразка у широкому д1апа-зон1 температур е актуальним завданн.та тзплоф1з1Гшого прила-добудування. •■'

МЕТА РОБОТА полягае у розробц! 1мпульсного методу для масових вимХрюйзнь ТФХ, дозволяючого з високою точн1стю та

3

продуктивнхстю проводати К0ЫЩЮКСН1 Еимхрювання ТФХ твердих матэр1ал1в з таплопров!дностыо 0.1-200Вт/мК у д!апазон1 температур 300-1400К при наявност! теплових втраг з поверхн! зразка.

Для досягнення цШ мети необхЩю:

- провести анал!з метролоПчних та експлуатаЩйних можливос-тей в!домюс 1мпульсш1х метод!в вимгрювання ТФХ;

- розроОиги теоретичк! оснош нового 1алульсного катоду, розв'язати пряму та коеф1ц1ентну зворотню задачу теплопров!-дшост1, одержати явн1 кирази для теплоф!зичних коефЩ1ент1в;

- розробити та виготовити макетну установку дня шпробову-вання запропонованого методу вим!рювання ТФХ;

- проанал!зувати ооновн! джервла похибок внм1рювань;

- розробита програмне забезпечення для розрахунку ТФХ на м!кро-Е0М.

НАУКОВА НОВИЗНА дисертац!йно! робота:

- запропоновано використовувати приблизний метод розв'язкз прямо! задач! нестац!онарно! тешгапров!дност!, побудованиА на застосувавд! 1нтегрального перетворення Лапласа та ортогонального иетоду Бубнава-Галерк1на, що дозволяе одержатй досить простий вираз, зручний для розв'нзку у явному ВИГЛЯД1 коаф1ц1ентно1 зворотнъо! задач!;

- розв'язано пряму та коеф!ц!ентну зворотню задач! нестац!о-нарно! топлопров1даост1 у явному вигляд! при крайових удавах на поверхнях плоского зразка: 2-го роду; 3-го роду з монотонная рсз1гр1юм та баз раз!гр1ва його обох повзрхонь; при зм1ааних крайових умовах: на одн1й поверхн! - крайов! удави. 3-го роду, на друг1Й - умови 2-го роду;

- розроблено декШька 1шульсвдх метод!в вим1рювання ТФХ тверда матер!ал1в у широкому д!апазон! температур з анал!-зом IX похибок.

АВТОР ЗАХИЦАб результата теоретично! розробки та експе-риментального досл1даення нових 1шульсшх метод1в вимхрювання ТФХ матер!ал!в з т&плопров1дн!стю 0.1-200Вт/мК у д!апазон1 температур 300-1400К, а такозк спос!б експеримен-тального визначення теплових втрат з поверхн! зразка.

ПРАКТИЧНА тННГСТЬ РОБОТЙ. Розроблен! та випробуван1 дек1лька !мпульсних метод!в дозволяючих проводати комплексне вишрювання ТФХ матер!ал1в з те1иоцров1да1стю 0.1-200 Вт/мК

у д!апазон1 температур 300-1400 К при наявност1 теплових втрат а повэрхн! зразка. Ц1 метода можуть бути використан! на широко розповсвджених установках для терм1чного анал1зу, п1сдя .незначного доопрацювайня.з вккористанням в1дносно дешевого та загалънодоступного устаткування. Розроблен та випробуван спсс16 експериментального визначення теплових втрат вйм!ргаально1 ком!рки.

АПР0БАЦ1Я РОБОМ. Результата та . освоен! положения роботи допов!дались та оОговорювалйсь на всесоюзних конфе-ренц1ях: "Перспективы применения алмазов в электронике и электронной технике", м. Москва, 1991 р, "Теория, методика и аппаратура термического анализа", м. Самара, 1991 р. 0сновн1 результата дисертацИ опу0л1кован1 у 8 роботах та захшцен! 5 авторськими' свЛдоцтвами про вшах1д.

ОБ'ЕМ РОБОТИ. Дисортац1я складаеться з вступу, 5-ти роз-д1л!в, висновк!в, викладенях на 116 стор!нках машинописного тексту, вм1дуе 6 таблиць, 23 рисунка, 2 стор1нки додатку.мз список л1тература з 122 назв.

ЗМХСТ РОБОТИ •

У ПЕРВОМУ рсзд1л! наведено анал1з найсИлыа ,£ркоррставу> ваних у тепер1ин1й час динам!чних та 1мйульсйих, М9трд1в, який показуе, що жодний з них, особливо з точнорт;! ^а 5роду-КТПВН0СТ1 у д1апазон1 температур 300-1409-Д, да-дао®-бути використаняй як масовий метод вим1р№ання„^$Х^^Брнягнэ доз-воляють проводит комплекта! вим1рювадня.-1ФХ'У"Даному температурному д1апазон1 з похибкою не .(¡Лльтв 10-15% при умов1 простота проводження експерименту,,д.мрАЯйв1стю його автома-тизацИ. Обгрунтована нсобх1дЦ$з*> розробки яових метод1в вим!рювання. .

У ДРУГОМУ розд1л1 описан!.,розроблен! автором 1мпулъсн1 метода, як! дозволяють п1двищити-точн!сть вимхрввання ТФХ в пор!внянн! з юнуючими -методами за рахунок зменшення впл1®у на не! таких фактор1в як: к1нцева тривэл!сть та неоднор!д-н!сть у поперечному .-перер!з! теплового !мпульсу, наявн!сть теплових втрат з поверхн! зразка. Розглядаеться температурив перевищення задаю! поворот! зразка т!льки п1сля д!1 теплового 1мпульсу.

1)Метод вимгрвЕання темяературопров1лност1 16].

Переда! поверхн! зразка та еталсна нзгр1взють однакови^ 5 .

ми по енергИ тешювйми импульсами та рееструють хнтервал часу з моменту йодання 1ыпульс1в до досягнення заданих температур на 1х задн1х поверхнях. Температуропров1дн!сть обчисляють по формул!: ' ';

де; 1/п=(С1го<1)/{Сг1с); т=Ф,/Т2; к^/с^; й=Ь/Ъг; в,,а£,С1> 0е,1„Ц - температуропров!дн!сть, теплоемн!сть, товщина зразка та еталона; г- !нтервали часу з моменту подання теплових 1мпульс1в на переда! поверхн! зразку 01 та еталону С^ до досягнення заданих температур на 1х задн!х поверхнях У, и т2.

Значения заданих температур та в!дпов1дн! 1м момента часу ооирають досить малими, ьикористовуючи самий початковий в!др!зок температурно-часов!й залевдост!, коли можна-звдхту-вати такими факторами, що приводить до зб1льшення паюйки, як тевдов1 втрати з поверхн! зразка та нер!вном!рн}£ть у Поперечному пврер!з! теплового 1мпульсу, як! безпос^редньо залекать в!д часу вим1рювання. Запропоновано ориг!дальний пристр!й, який реал!зуе даний метод С5I.

2)Ыетод вимхрювання теплоемност! {7]. .></

Переда! поверхн1 зразка та еталона нагр!вають однакови-ми по енергИ тегоювими дмпульсами та вимхршть паре видения температура 1х задн1х поверхонь. Починаючи з деяких значень температур (у эагальному випадау р!зних для зразка та еталона) установдюеться пост1йна швидк!сть цього п1двищення, що ирактеризуе.'вщшкнення у зразку та еталон! регулярного ре-' жиму 2-го роду. При цьому, температурно-часову залежн!сть мокливо '.впроксимувати прямою л1н!ею.

Формула для розрахунку теплоемност! зразка одержана з розв'язку системи р1внянь теплового балансу для випадау регулярного теплового режиму 1 мае вигляд: Со = СэАТэ/йТо, де: 4То,ЛТв - мал! прир!сти температуря на задайх поверхнях зразка та еталона. Вим1рювання проводить з <5!льшою точн!стыо, у пор!внянн!, наприклад, з методом Паркера, оск1лыш регуляр-ний режим починаеться на початковгй стад!!' температурного прирощення, кож теплов! втрати ще досить мал!.

Якщо екстраполивати прямол1н!йну д!лянку температурного перевйцення до перетинання з часовою в!ссю абсцис,то мокливо

визн&чити поруч з теплремн!стю також темпэратуропров1дн!сть та теплопров1дн!сть.

3)Мэтод тшргвання ТФХ 18).

Переда! поверхн! зразка та эталона нагр!вають однаковими по енврг11 тепловими 1мпульсами та вим1рюютЬ перевищення. температуря-Ix задн!х поверхонь. При наявност! теплових втрат з поверхонь зразка та еталона цо перевищення . в!др1вняеться в1д Щеального на Тт, яка залежить в1д 1х ве-личини. При рЛвност! теплових втрат зразка та эталона Тт такоя будуть р1вн1. Якшо ми обчислймо Tin для эталона по в1дпов1дним р!внянням, то зможемб визначити Х1д температурного перевищення зразка без урахувзння теплових втрат. Тод|. температуропрсВ1дн!сть, теплопров!дн!сть "а теплоёмн1сть ро-зраховуютьсй по таким формулам: aQ=0.7a*t*/2/to;^o= a0Q/LT, CQ = Q/LTm; да: t*/2 - час досягнення зм!нення температура задньо! поверхн1 ад1абатичного зразка половини свои? щксп-маяьного значения.

Проте, Bei ni метода мають сп1льн1 вэди?

1)мае м!сце обмвкення на тривал!сть тепловоза 1*цульсу; оск1льки розглядаеться температурне перевищення. т1яьки п!сля д11 теплового 1мпульсу, його тривал!сть на повийи перавицу-вати часу прозюдаення температурного обуревдя, чррез зразов, врб не вйкликати деформац!» ц1е! зядашюст!;

2)при тонких або високотеплопров1днв^ з^азха* трявал1-сть теплового 1мпульсу досить мала, що приводить до neperpi-ву його передньо! поверхн1; необххдност} вгасористовувати дорог! та склада! у експлуатацИ джерела теплового обурення з малою тривалютю 1мпульсу, а такох шввдкод1ючу реПструючу аПаратуру;

3)Низька продуктивн1сть вим!рювэльного процесу, через необх1дн!сть вир1внювати температуру по об'ему зразка перед тепловим обуренням; цей час складае не менте дек1лькох хви-лин, що викликае при широкотемпературних вкшрюваннях эбо до неприпустимого його зб1ль!зення або зменшення 1яформац1йно-ст!, через зменшення числа точок, що дослЩжуються у задано-му температурному д!шазон1.

Тому виникла необхЮТьстъ розробки нового, б!яьш продуктивного методу BiwipRBSHHH ТКС мэтер1ял!в без ебмегэння на тривал1сть теплового 1шульсу з момквЮтью урчхувтачя теп-

лових втрат з поверхн1 зразка, що досл!дауеться.

У ТРЕТЬОМУ розд1л1 наведено теоретична обгрунтування та ошс розробленого 1мпульсного методу, що розглядае темпера-туриа перевищенвд, як п1д час ди теплового !мпульсу, так i П1сля нього.Ддя визначення цей метод будет називати - метод "довгого" 1мпульсу. Перерахован! виде розроблен1 метода бу-демо називати - метода "короткого" хмпульсу.

Розглядаеться неск1нчвнна пластина товииною L при 1ту~ льсному тепловому впливу дов!льно1 тривалост1 на 11' передаю поверхню. Крайов! умови обирались залежно в1д вимог ексдари-«енту. Були одержан! рИвення при крайових умовах 2-го роду; 3-го роду а монотонним роз1гр!вом та без роз1гр1ву обох по-верхонь пластини) при зы!даних крайових, умовах: на одн!й поверхн! - крайов! умови 3-го роду, на друг!Я - крайов! умови 2-го роду.

При ро'зробц1 1ыпудьсних метод1в вим1рювання ТФХ звичай-но використовують точн! метода розв'язку даференцШюго р1в-няння нестац1онарно1 тешюпров!дност1, так1 як метод Фур'е, функц1й Грина, к1нцевих 1нтегральних перетворень та 1нш1, як1 нав!ть для т1ла просто1 форми та одном!рвого теплового потоку, з урахуванням теплових втрат, дають дуке склада!, гром!здк! анал1тичн1 вирази мало г!да1, у загальному випад-ку, для розв'язання коеф1ц1еитних зворотних задач. Було за-пропоновано використовувати метод розв'язання прямо! задач1 нестацюнарно! тешюпров1дност1, побудований на застосуванн1 интегрального перетворення Лапласа та ортогонального методу Бубнова-Галерк1на. Одержано в1дносно простая вираз, що ош-суе розподЬл температуря у зразку. Цв дозволило розв'язати коеф1ц!ентну зворотню.задачу теплопров1дност1. у явному виг-ляд! для вс1х типХв крайових умов.

Наприклад, для крайових умов 3-го роду без монотонного

роз!гр1ва обох поверхонь пластини, 1мпульсному вшиву на 11

пере дню поверхню, вираз для температурного перевщцення зад-

ньо! поверхн! мае вигляд:

дая часу дИ теплового Шгульсу, коли о < t < к g 5gB f Nat, •)

5T,=-----EXP j—(2)

1 a(2+Bi) 2a I L2 J для часу п1сля д!Х теплового хмпульсу, коли t > к SgB Г f Nat . 1] f Nat -j

де: 6Т-- T(L,t)-To - температурю перевищення задньоГ поверх-н! зразка в!д д!1 теплового 1мпульсу; Т - температура; Т0 -початкова температура; L - товщина зразка; t - час; К - три-валЮть теплового 1мпульсу; а,\ - темпвратуропров!дн1сть та теплопров1дн1сть; а -тепльв1 втрати; g -потужн1сть теплового !мпульсу; В1 -критер!Й Б1о; N = -[10В!(В!+б)]/(В1г+10В1+30); В = (Bi+6)/(Bia+10Bl+30).

При цьому були одержэн1 так! вирази для тешюпров!дно-ст! та температуропров1дност1: К = (Bra2L)/(g-2BTa)s a = (1г7г)/(НбТг), де: \ = 8Т1- бТгУ/7г; V^V., - перш! пох!да! значения томператури за часом, для пэредаього (!ндекс 1) та заднього индекс 2) фронт!в температурного перевищення,

В1ДПОВ1ДНО.

Для перев!рки в!рност1 отриманих нами розв'язк1в прямо! задач! теплопров!дност! наближеним методом та визначешда припустимо! величини яабликення, анаяоПчна задача' вирйпувалась точним методом под1лення зм!нних (методом Фур'е). Выявилось, що вже для першого наОлиженйя- з точностью до 3-го знаку п!сля коми набликене та точне р!шенна> зб!г.ае для крмтер!ю фур'е б!льше 0.2. Точне рйиення не- дозволяв розв'язати коеф!ц!ентну зворотню задачу темопров1дност! у явному ВИГЛЯД1 через свою складн!ть та гром1здк1оть. Набли-жеяе ж рйлення, як показано ранйве-, цэ; дозволяв-зробити.

Теор!я способу визначення теплових втр.эт. вим!рювэльно1 ком!рки заснована на виразэх аналог1чних- (2),. (3) з в1дпов!-дними крайовими умовами, при розгляд!ч у, них эталонного зразка з в1домими ТФХ. Наприклад> дан крайових умов 3-го роду теплов! вТрати з поверхн1 зразка! a визначаються р!внянням:

а = ЛВ1/Ь, де: В1= - Ва + У В^ - 30N/(N+10); N = L2V./aQT2; Ва = 5(N(6)/(Nf10).

До основних переваг методу, що пропонуеться мокна в!днести:

1)високу продуктивн!сть, через проведения вим!рювань у дина-м!чному режим!;в пор!внянн! з методом Паркера час вим!рюван-ня при однаков!й !нформацШнсст1 зменшуеться у 50 раз!в;

2)б!льш високу точн!сть вим1р»вэння в пор1Енянн1 з 1снуючими методами при наявност1 теплових втрат з поверхн! зразка, без"

He06xi,4H0CTl ЙОГО ТеПЛ0130ЛЯЦЦ;

3)можлие1сть зм1нення тривалост! та частота теплових !мпуль-с!в у широких межах та використання еталона для вим1рювання енергП кожного 1мпульсу дозволяв використовувати вХдносно дешев!, малоенергетичн! та не високоетаб!льн! джерела теплового обурення, датчшш температури та апаратуру, що реест-руе, б!лыа низько! швидкодИ, при цьому немае перегр!ву пере дньоУ поверхн! зразка.

У ЧЕТВЕРТОМУ розд!л! для визначення д!апазону коректно-ст! отриманих р!йень коеф!ц!ентно1 зворотньо! задач! неста-цЮнарно! теплопровХдност! проведено докладний анал!з невик-лшчено! складово! систематично! похибки для косного розроб-леного методу окремо по ix розрахункових формулах у припуще-нн! л1н1йна1 залашост1 валичини, що втиряеться в!д аргуме-нт!в та в1дсутаост1 кореляц!! м1ж шали. Розрахунки проводились на м!кро-Е0Ы по ориг!нальн!й програм! к1льк!сними методами шляхом визначення частинних похадаих та коеф!ц!ент!в чутливост1' кошого аргументу.

Деяк! результате розрахунку для метод!в "довгого" хмпульсу при зм1таних крайових умовах, крайових умовах 3-го роду та дов!рчо! iMOBlpaocTi 0.95 наведена на рисунку 1; а) - сцшса мек! невиклшено! складово! в!дносно! систематично! похибки визначення тешшпров!даост1 зведено! до вХдносно! похибки вх!деих давдх залезаю в!д критер1ю Б!о; б) - оцзлка припустимого д!апааону застосуваная методу по вилрювашт теплопров1да0ст! для в1дносно1 "похибки < 15$ при зм1шаних крайових умовах залеию в!д теплообмену зразка та його тов-щини. По цих залежностях .легко оцйшти деяк! вимоги до пара-. метр1в вим1рювально! ком1рки, що проектуеться при раал1зац11 даного методу: рис.1.а) - припустимий критер!й Bio при обра-ному вначенн! в!дносно1 похибки ь&!дних даних та потр!бно1 похибки вилйршання геплопров1дност1; рис. 1.6) - лрипустиму величину товщини зразка та його коеф1ц!ента теплообмену при обраному значенн! теплощюв!дност!.

У П'ЯТОМУ розд1п! наведено стио одн!е! з експеримента-льних установок для апробацИ запропонованих метод!в у д1а-пазон! температур 300-1400К, проведена оцшка !х меж! припу-стимо! в!дносно1 похибки та наведено результата вимёрювань.

Функц!ональна схема показана на рис.2. Блок управл1дня 3, що запускае-перервач 2 та апаратуру, що реПструе, формуе

т»м>- см аакю-лт - о

\\

\ \ \ \ \ \

а)

Рис. 1.0ц1нка границ! невиклшено! складово! сЮтематично! похибки визначення твплопровИщост!.

13

Рис.2.Функц!ональна схема установки, то вим!рюе ТФХ у д!апазон! тешератур 300-14СЮК.

тешюний иацгльс р!зно! тривалост! в!д безперервного лазеру 1. 1мпульс д1литься оптичним под1льником 4 на два, як! пог-яшаються передн!ми поверхнями зразка 8 таеталона 7. Вони розтавован1 у гермётичн!й вим!рювальн!Й коМ1рц1 6, яка мае мо*лив!сть продувки газоподЮним азотом. Шдвмщення темпера. тури у вим1ривальн1Я ком!рц! створюеться фоновим резиотивним нагр1вником 9 та регулюеться з точн!стью не Прме +0.2К регулятором температур» 10. Температуре перевищення авдн1х доверхонъ зразка 8 та еталона 7, вишряетъся диф9ренц1йними хромель-алтавлевими термопарам 5, сигналя в!д котрих поси-ляеться двохканальним п!дсилювачем 12 та рееструються апара-турою 13. Температура в1днесення вим!рюеться хромэль-алша левою термопарою 14 та рееструетъся цифровим вим!рпва-чвы тешюрвтура 11.

Вула запропоноваНа модель гопередньо! оОробки експери-ментальних даних з використанням метод!в нел1н1йного сглад-хування та апроксимування, во дае мо*лнв!сть зменпмти серед-ньоквадратичну погабку !х вшадково! складово! до величини менше 15. Це Дозволило з взликою точн1стыо обчислювати к1ль-к1снимй методами першу та другу пох!дн! за часом сигналу температурного перевищення.

Проведена оц!яка методично! та 1лструментально! похибкй вмм!рювання ТФХ на ц1й установи! з анал1зом !х систематичних та випадкових складових, значения яких наведен! у таблиЩ 1.

Була проведена ощнка, для дов1рчо! 1мов!рност1 0.95, меж! припустимо! в1даосно1 похибки вим!рювання ТФХ вс1ма запропонованимй методами у д1апазон! температур 300-1400К. У таблиЦ1 2 наведен! результата оцгнки для метод!в "Короткого" 1мпульсу. Для методу "довгого" 1мпульсу вона практично повторив аалежИсть оцШки меи1 вевинлючено! склэдово! вЗднос-но! систематично! похибки вим1рсвання при зменшенн! значень для 300К на 3% та зб!лыпенн! на 35% при 1400К.

Експериментальна перев!рка метод!в проводилась з використанням еталоних зразк!в з орган1чного скла (ДСТ 17622-72), плавленого кварцу (ДСТ 16130-79), стал! 12Х18Н10Т (ДСТ 5632-72), мол!бдену МЧВП (ВЭТ67-2-82), Оули проведен! Ею;!ряв2ння ТФХ зал!за-Аркко, ЕУГЛ8ГЛЗСТЙК1В, р!зких компо-зит!в, та 1нших матер!ал!в. - •

Джерело похибок вим1рювань системат. 1%] випадков1 1*1

1.М8ТОДИЧН1 похибки

-неоднор1дн1сть густини теплового

1мпульеу 0.5 0.2

-присутн1стъ бокового теплообм1ну 0.2 -

2.1нструментальн1 похибкЬ

2.1.Вим1рювання темпер, перевищення

-зм1на влектром1дност1 1золяц11 0.2

-теплост!к по термоелектродам 0.15 - -

-неодаор1дн1сть термрелектрод1в 0.1 -

-олектричн! наводки - I

-контактний твшювий оп1р I 0.2

-електроного устаткуванвя 0.18 1.5

2.2.Виы1рювання температуря отнес1шш. 0.6 -'

2.3.Похибка реестрування:

- ампл1туда 0.5 , 0.15

- часу. 0.Г5 0.05

2.4.Вим1рювання товщини. 0.3 0.02

2.5.Розрахунку 1-1 и 2-1 пох1дн1 0.3 -

2.6.Вим1рювання парамвтр1в еталон!в:

тешюпров1дност1 . 2 -

теплоемност1 I -

температуропров1дност! 1.8 -

Таблиця 2

Метод вкмХрювакня Межа црипустимо! в1дносно! похибки, %

Т=ЗООК Т=900К Т=1400К

Температуропров1д. а 1.2 1.5 2.5

Теплоемн1сть С р 1.0 1.4 2.0

а 1.3 1.5 2.8 .

ТФХ А. 6.9 7.6 8.9

С р 6.8 7.5 8.8

М) 2-9 3.0 _4 0 \0 «О

В) • г)

Рис.З.Харвктерн1 експериментальн! залёжност! в1д часу сигнала температурного перевшцення задньо! поверхн! зразка.

< ш »* ♦ + +

УХ»

а)

б)

Рис.4.Експериментальн! результата температурних вим1рювань еталоних зразк!в а) та зрпзка з зал!за-Армко б) у зон! Аого фазових перетр.орень.• 14

На рис, 3 наведен1 характерн1 експериментальн! залежно-ст! в1д часу еигнал1в температурного перевищення задньо! поверхн! зразк1в з плавленого кварцу при "короткому" тепловому 1мпульс1 (а), "довгому" тепловому 1мпульс1 та крайових умовах 3-го роду без л1н1йного роз1гр1ву (б) та при швидко-ст1 роз!гр!ву печ1 О.БК/с (в), а такок з зал!за-Армко при крайових умовах 2-го роду (г). зютавлення отриманих резуль-тат1в вим1рювання теплопров1даост1 еталонних зразк1в з дани-ми !х атестац!! методом \'довгого" 1мпульсу показан1 на рис. 4а для мол1бдену (П), стал1 12Х18Н10Т (Д).плавленого кварцу (о), з вказ!вкою для нього систематично! (х) та ыеж1 випад-ково! (-1-) сил адово! похибки. Чутлив1ть метод1в дозволяв про-водити дослдаекня зон структурдах та фэзових перетворёнь у матер1алах. На рис. 46 наведен! температурн1 залехност1 теп-лоемност1 (П) та температуропров!дност1 (А) зразку з зал1за-Армко у д1апазон1 температур 900-1ЗООК, отриман! методом вимхрювання ТФХ.

ВИСНОВКЙ.

1. Розроблен1 три ориг1нальних !ыпульсних метода вим1-рювання температуропров!дност1 - а, теплоемност! - С та теп-лопров1дност1 - к у д!апазон1 температур 300-1400К для мате-р1ал1в з Л = 0.1-300Вт/мК та в1дносною похибкою по а < 2Ж, С < 1.5-5$, К < 6%, як1 по точност1 у даному температурному д1апазон! перевйцують хснуюч! аналог1чн1 метода. Цэ досягну-то за рахунок зменшення впливу на точн!сть вим!рювання таких фактор1в як: к1нцева тривал!сть та неодаор1дн1сть у поперечному перер1з! теплового ¿мпульсу, наявн!сть теплових втрат з поверхн1 зразка.

2. Розроблен! теоретичн! основи нового 1мпулъсного методу ввм!рювання ТФХ твердих матерхал1в у д!шазон1 температур 300-1400Н. Запропоновано використовувати на1ликенний метод р!шення прямо! задач1 нестаЩонарно! теплопров1дност1 побудований на застосуванн1 !нтегрального перетворення Лапласа та ортогонального методу Бубнова - Галсрк!на.

3. 3 використанням ц!е! методййк одержано розв'язок прямо! та коеф1Щентно! зворотньо! задач1 теплопров1дносТ1 у явному вигляд1 при р!зних крайових умовах на поверхнях плоского зразка.

4. Ha ochobí nix р1иень розроблвн1:

1) cnociö експериментального визначвння теплота втрат з - поверхн1 зразка, який знаходиться у вим1рювальн1й ком1рц1;

2) мэтод комплексного вим1рювання ТФХ твердая. матер1ал1в з Х=0.1-200Вт/мК, у д1апазон! температур 300-1400К. та выносною похиОкою не б1льше 10% при критерИ Bio > 0.1.

Основними перевагами розроблёного метода е:

1) висока продуктивнЮть, у БО раз1в б!льюе методу Паркера;

2) 01льш висока точн1сть, н1к в Юнуючих аналоПчяих метод1в у заданоыу температурному д1апазон1, внасл1док урахування теплових втрат з поверхн1 зразка.

' Вдалось розробити для масових ЕилЦрювань ТФХ високопро-дуктивний метод, який розпшрюе температурний д1апззон до 1400К з похибкою не б1лыие 10% без необх!дност1 тепло1золяц1! зразка, що досл1дауеться. Це дозволяв легко автоматизувати процес вимхрювання та проводите його на широко розповсюдаганих установках для даференЩйного терм1чного вдал1зу, п1сля незначного Ix доопрацювання, з використанням в1дйосно дешевого та загалыю доступного уотаткування.

5. Проведен докладний анал!з методам них та Лнструмента-лышх похибок з оцхнкою £х систематичних та випадкових скла-дових для bcíx розроблэних метод1в. Експеришнтально визна-чена вШюсна похибка вим1рювання для розглянутих матер!ал!в наведендаи методами у всьому внбраному температурному д!апа-зон1 не виходить за мек1 дов1рчого Интервалу, що п1дтверджуе говноту та достов1рн1сть анал!зу похибок вим1рювання,а також ефективнЮтъ методик попередньо! обробки експериментальних даних та розраХунку ТФХ.

6.Розроблен1 ориг1нальн! програми для м!кро-Е0М для к!льк1сного розрахунку в1дносно! систематично! похибки вим!рювання ТФХ та попередньо! обробки експериментальних даних.

Основн! положения дисертацИ опубл!ковано у наступних роботах:

I.Шведов Л.К., Барановский В.М. Установка для измерения температуропроводности ГИШ методом теплового импульса в широком диапазоне температур. // Заводская лаборатория, 1990, JH - с.46-47. .

. 1С.

2.Шведов Л.К., Золотухин A.B. Методика расчета теплофи-зических характеристик исследуемого вещества в аппарате высокого давления с алмазными наковальнями. // Сверхтвердые материалы, 1992, #5 - с.17-19.

З.Золотухин A.B., Шведов Л.К. Измерение ТФХ материалов • импульсным способом в широком диапазоне температур на установке для термического анализа. // Заводская лаборатория, 1993, $1 - с.35-36.

4.Zolotukhln А.V., Shwedow L.K. Measurement оi the Ter-mophysical Characteristics of Materials by the Pulsed Method in a Wide. // Ind bab-Engl Tr., 1993, v.59, Ä1 - p.52-54.

5.A.c. ÄI546I49 СССР, МКИ GOI N25/18. Устройство для измерения коэффициента температуропроводности материалов./ Шведов Л.К., Барановский В.М., Кестельман В.Н. Опубликовано 23.02.90. Бюл. Д7.

6.a.c.JH622I43 СССР, МКй GQI H25/I8. Способ измерения температуропроводности. / Шведов Л.К., Барановский В.М., Кестельман В.Н. Опубликовано 23.01.91. Бшл. *3.

7.А.с.т689828 СССР, МКИ GOI H25/I8. Способ измерения теплоемкости материалов. / Шведов Л.К., Золотухин A.B. Опубликовано 7.II.91. Бал. М.

8.А.с.№1721491 СССР, МКИ GQIH25/I8. Способ измерения теплофизяческих ■ характеристик материалов. / Шведов Л.К., Золотухин A.B. Опубликовано 23.03.93. Бол. »II.

9.A.C.JH756809 СССР, МКИ G0IH26/I8. Способ измерения теплофизических характеристик материалов. / Шведов Л.К., Золотухин A.B. Опубликовано 23.08.92. Бюл. *31.

Ю.Шведов Л.К., Золотухин A.B. Измерение ТФХ алмазосодержащих материалов и пленок импульсным методом в широком диапазоне температур. // Всесоюзная конференция "Перспективы применения алмазов в электронике и электронной технике-". Энергоатомиздат. Москва, 1991 - с.88.

11.Шведов Л.К., Лапинский В.В., Барановский В.М, Высокоточное регулирование высоких температур с малыми- 'электрическими помехами в мощных электропечах сопротивления. //. Депонировано в УкрШИ НТИ *620-Ук89, от 27.02.89г.

12.Шведов Л.К., Барановский В.М. Динамические методы измерения теплофизических характеристик полимерных материалов в широком интервэле температур. // Депонировано в УкрШИ

НРИ Ягв-Ук.90, от 16.01.90Г.

13.Шведов Л.К., Барановский В.М. Установка для импульсного измерения аД,Ср ПКМ в диапазоне температур 300-600К. // Депонировано в УкрНИИ НТй *1837-Ук.88, от 9.08.88г.

Шведов Л.К. Разработка импульсных методов измерения теплофизике ских характеристик материалов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технически наук по специальности 05.11.04 - Приборы и метода измерения тепловых величин, Государственный университет "Льв1вська пол1техн1ка", Львов, 1994.

Защищается 8 научных работ и Б авторских свидетельств, кото-рае содеркат теоретические и экспериментальные исследования новых импульсных методов измерения ТФХ. Установлено, что погрешность измерения не превышает 10% для материалов с теплопроводностью 0.1-200 Вт/мК в диапазоне температур 300 -1400 К без необходимости теплоизоляции исследуемого образца.

Shwedon Ь."К. Development of pulse methods for measuring the-rtnophyslcal properties of materials.

Dissertation for the degree of candidate of engeneering in 05.11.04 speciality - Devices and methods for measuring thermal quantities, State university "L'viyska politekhnika'', L'vov, 1994.

Eight research works and five author's certificates are defended, they contain theoretical and experimental studies of new. pulse methods for measuring thermophyslcal properties. The measurement errcm does not exceed 10% for materials having thermal conductivity of 0.1-200 W/mK in the temperature range 300-1400 К Without the need of heat insulation of the specimen under stedy.

Ключов1 слова:

твплопров1дн1сть, температуропров1дн1сть, твпдоемн1сть, теп-лоф!зичн! характеристики; коэф!ц1ентна зворотня задача.

Щдгосано до друку 22,06.94 р. Формат 60х90Д6. Ilanip друкарський Друк офсвтаий. Умовн. друк. арк. 2,0 .¿-Угловн. ¡Ьарб.-щдтиск 2,0. (лШк.-втоавтге. арк. 1,8. Тирах 100. Заказах.

Хнсгвтут ивдтвердих матерхал!в im. В.М.Бакуля HAH Ущшнп 254074 Кшв-74, вул. Аэто?аводська, 2

Рмэдрннг 1Ш HAH Украл-ги