Описание экспериментальной установки. Цель работы: ознакомиться с одним из вариантов метода температурных волн, применяемого при определении коэффициента температуропроводности металлов.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТАТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МЕТОДОМ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЛН

 

Цель работы: ознакомиться с одним из вариантов метода температурных волн, применяемого при определении коэффициента температуропроводности металлов.

Методы температурных волн основываются на закономерностях теплообмена тел в среде, температура которой - гармоническая функция времени. В этом случае по истечении некоторого промежутка времени изменение температуры тела в любой точке также будет гармоническим. Методы температурных волн часто называют квазистационарными, или методами регулярного режима.

Теоретические основы метода были заложены еще в работах Ангстрема, который впервые применил указанный метод для исследования теплофизических свойств материалов в форме стержня. Методы температурных волн позволяют исследовать коэффициенты температуропроводности только вблизи одной фиксированной температуры. Эти методы получили широкое распространение как в области умеренных, так и в области высоких температур.

 

Теоретические основы метода.

При осуществлении метода температурных волн в режиме 3-го рода температура в каждой точке тела колеблется с одним и тем же периодом вокруг средней температуры , являющейся функцией координат:

(1)

причем

Уравнение теплопроводности для стержня с одномерным осевым полем имеет вид:

(2)

 

Второе слагаемое представляет собой поправку на тепловой поток, рассеиваемый стержнем в окружающую среду.

Введем обозначение:

(3)

Тогда

(4)

Краевые условия следующие:

 

(5)

где

(6)

 

(7)

 

Один из простейших и наиболее распространенных путей исключения - это использование результатов измерений амплитуд и фаз колебаний температуры для одной определенной частоты. Из 6 и 7 получаем

в свою очередь

 

;

 

где , , , - амплитуды и фазы колебаний температуры в двух точках, находящихся на расстоянии друг от друга.

Отсюда получается формула для определения коэффициента температуропроводности:

(8)

Анализ показывает, что наибольшая точность определения коэффициента температуропроводности получается при соотношении амплитуд колебаний в двух точках: 2, 5 - 3, т.е. при . Оптимальное расстояние между точками заделки термопар определяют из соотношения , где - ориентировочное значение коэффициента температуропроводности.

 

Описание экспериментальной установки.

Установка состоит из источника питания, мультивибратора, самопишущего потенциометра ЭПП - 09 и трех исследуемых образцов. Нагреватель помещается на одном из концов исследуемого образца. Для создания температурной волны в образце на нагреватель подается пульсирующая мощность при помощи мультивибратора. В исследуемый образец зачеканиваются 4 термоэлектрода: Первый на расстоянии 6-10 мм от нагревателя, второй и третий - на расстоянии и от первого соответственно, а четвертый в конце стержня, куда не доходят колебания температуры. На потенциометре ЭПП - 09 записываются перегревы , , точек образца относительно . Дифференциальные термопары образуются естественным путем - средним электродом в них служит исследуемый металл. Все образцы помещены в стеклянные пробирки, герметично закрытые с помощью резиновых пробок. Выводы нагревателей и термоэлектродов выведены через эти пробирки и распаяны на лицевой панели кассеты с образцами. Подключение термоэлектродов к самописцу ЭПП - 09 производится следующим образом: четвертые термоэлектроды образцов подключаются к правому вертикальному ряду клемм на задней стенке корпуса ЭПП - 09, а первый, второй и третий термоэлектроды подключаются соответственно к 1, 4, 7 и 10; 2, 5, 8 и 11; 3, 6, 9 и 12 клеммам левого вертикального ряда. Отсчет клемм на ЭПП производится сверху вниз. Исследования проводятся при поочередном подключении образцов.