28.4. Измеритель теплопроводности ит-λ-400
Измерения температурной зависимости теплопроводности рассмотрим на примере установке ИТ-λ-400 (рис. 28.3).
Установка используется для измерений теплопроводности твердых, механически обрабатываемых материалов в режиме монотонного нагрева. Температурный диапазон измерений -100 - 400 С.
Измерения проводятся на цилиндрических образцах диаметром 15.0 ± 0.3 мм и высотой l 5 мм. Для обеспечения погрешности измерений ± 10% торцевые поверхности образца должна быть плоскопараллельными с точностью не хуже ± 0.01 мм.
В приборе используется
метод динамического калориметра.
Испытуемый образец, контактная пластина,
стержень и тепломер монотонно разогревается
тепловым потоком
,
поступающим от основания. Боковые
поверхности всех частей установки
адиабатически изолированы. Стержень и
контактная пластины изготовлены из
меди, обладающей высокой теплопроводностью,
поэтому перепады на них незначительны.
Рис. 28.3. Схема установки ИТ-λ-400
Тепловой поток
,
проходящий через среднее сечение
тепломера, частично поглощается им и
далее идет на разогрев контактной
пластины, образца и стержня. Геометрические
размеры системы выбраны таким образом,
чтобы тепловые потоки, аккумулируемые
образцом и тепломером, были по крайней
мере в 5 - 10 раз меньше поглощаемые
стержнем. В этом случае температурное
поле образца и тепломера оказываются
близкими к линейному стационарному,
все детали системы разогреваются с
близкими скоростями, а для тепловых
потоков
и
и любого уровня температуры справедливы
формулы:
, (28.15)
где
, - тепловые потоки, проходящие через образец и среднее сечение тепломера.
,
- перепады температур на образце и
тепломере,
- тепловое
сопротивление между стержнем и контактной
пластиной.
- полные теплоемкости
образца, стержня, тепломера и контактной
пластины.
- скорость разогрева
измерительной ячейки.
- площадь поперечного сечения образца.
- коэффициент
пропорциональности, характеризующий
эффективную тепловую проводимость
тепломера.
Тепловое сопротивление между стержнем и контактной пластиной определяется по формуле
, (28.16)
где
- тепловое сопротивление образца,
- поправка, учитывающая тепловое
сопротивление контакта, не идентичность
и тепловое сопротивление заделки
термопар. Тепловое сопротивление образца
определяется по формуле:
, (28.17)
где λ
-теплопроводность образца,
- его высота.
На основании вышеприведенных формул получаем рабочие расчетные выражения для теплового сопротивления и теплопроводности образца.
, (28.18)
- поправка,
учитывающая теплоемкость образца.
, (28.19)
, (28.20)
Влияние этой поправки незначительно и обычно не превышает 5%. Значение теплопроводности образца, таким образом, определяется выражением
. (28.21)
Это значение теплопроводности следует относить к средней температуре образца
. (28.22)
Параметры и не зависят от свойств исследуемого образца и являются постоянными установки, определяемыми в градуировочных экспериментах на реперных веществах.