METODY POMIARU PARAMETRÓW CIEPLNYCH CIAŁ STAŁYCH
-
Upload
noah-jordan -
Category
Documents
-
view
86 -
download
0
description
Transcript of METODY POMIARU PARAMETRÓW CIEPLNYCH CIAŁ STAŁYCH
METODY POMIARU PARAMETRÓW CIEPLNYCH
CIAŁ STAŁYCH
Parametry cieplnePodstawowe równaniaMetody stałego strumieniaMetody zmiennego strumieniaMetody impulsowePodsumowanie
Jerzy Bodzenta
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 2
Parametry cieplne
Ciepło właściwe C [J·kg-1K-1]
Współczynnik przewodnictwa cieplnegoκ [W·m-1K-1]
Dyfuzyjność cieplna α = κρ-1C-1 [m2s-1]
Aktywność cieplna (efuzyjność cieplna)ε = (κρC)1/2 [W·s1/2m-2K-1]
Pojemność cieplna ρC [J·m-3K-1]
Opór cieplny RC [m2K·W-1]
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 3
Bilans cieplny
Prawo Fouriera
Równanie Fouriera-Kirchhoffa
Podstawowe równania
dQ mCdT
gradQj T
2 1q TT
t
,Q CC
T dj R
R
1 wymiar
stan ust.
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 4
Podstawowe równania
Współczynnik odbicia fali termicznej
1 1 2 2 1
1 1 2 2 1
1
1
BR
A
1
2
x
0
11
expA i x
11
expB i x
22
expA i x
1 2 1 1 20 0T x T x A B A
1 21 2 1 1 1 2 2
0 0x x
T TA B A
t t
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 5
Podstawowe równania
Związki
C
C
C
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 6
Metody stałego strumienia
Podstawowa zależnośćgradQj T
Q TP S
t d
Wyznaczane
Model jednowymiarowy, stan ustalonyMierzone
Mierzone
Wyznaczane
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 7
Metody stałego strumienia
Typowe układy pomiarowe
Grzejnik
Czujniktemperatury
Próbka
Izolacjacieplna
Chłodnica
Grzejnik ekranujący
Problemy: - dokładne wyznaczenie jQ lub P,
- jednowymiarowość.
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 8
Metody stałego strumienia
Metody porównawcze
Kamera IR
Światło
T
x
wzwz
k
k
Grzejnik
Czujniktemperatury
Wzorzec
Próbka
Izolacjacieplna
Chłodnica
wzwz
wz
d T
d T
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 9
MierzoneWyznaczane
Metody zmiennego strumienia
Podstawowa zależność
2 01, 1 cos
2
q T qT q t
t
0 cossT r T r T r t r
Rozwiązanie
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 10
Metody zmiennego strumienia
Ångström (1863)
T1 T2 T3 T4
d
2f
f t d
t
Obecnie
Kamera IR
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 11
Metody zmiennego strumienia
Adams, Kirkbright (1977)
Komora FA
d 0
fd
f1/2
φ
Zhang i inni (1990)
1 exp 2
tg tg
1 exp 2
w p
w p w
ww p
w p w
fd
fd
fd
Podłoże
d
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 12
Metody zmiennego strumienia
Metoda pomiaru dla płyt
d
0
2 2cth exp
p g
f fS i d i z
0 10 20 30 40 50 1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
f 1/2, Hz1/2
ln(|S
|), a
.u., a
rg(
S), ra
d
ln(|S|) arg(S)
0 10 20 30 40 50 -0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
f 1/2, Hz1/2
ln
(|S0|),
a.u
., a
rg(
S 0),
rad
ln(|S0|)
arg(S0)
z0
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 13
Metody zmiennego strumienia
Metoda pomiaru dla płyt - modyfikacja
d
z0
Płyn
Możliwość dodatkowego wyznaczenia aktywności cieplnej przy pomiarach dla różnych płynów pod próbką
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 14
-600 -400 -200 0 200 400 600 -150
-100
-50
0
50
100
150
y0
│
t│co
s( t
), a
.u.
y0, m
Metody zmiennego strumienia
Kuo i inni (1986)
z0
y0
0 0y af
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 15
Metody zmiennego strumienia
Salazar, Sánchez-Lavega (1994)
z0
y0
100 200 300 400 500 600-2
-1
0
1
2
3300 Hz700 Hz1000 Hz
y0, m
arg(
t), r
ad
0arg t
fy
0arg pow
fy
Obecnie
Kamera IR
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 16
Metody zmiennego strumienia
Metoda 3ω – Cahill (1990)
I0cos (ωt)
U
2 1
1 2
ln ln
3 3in inU U
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 17
Metody impulsowe
Parker i inni (1961)
d0 2 4 6 8 10
0
2
4
6
8
10
0 clqAp
2tl 2
0 2 4 6 8 100
0.2
0.4
0.6
0.8
1
lclqAp
2tl 2
t1/2tx
2/12
2
38.1t
l
xtl2
2
48.0
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 18
Metody impulsowe
Bertolotti i inni (1993)
r
2as
2a max
222
8taar s
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 19
Metody impulsowe
Termoodbicie przejścioweTransient thermoreflectance (TTR)
Laser 76 MHz, 790 nm, 200 fs
1:9
Modulator AO1 MHz
Detektor
Homodyna1 MHz
Pomiar: S(t), 0 < t < 500 ps
C.J.K Richardson, J.B. Spicer, Optics and Lasers in Engineering 40 (2003) 379-391`
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 20
Metody impulsowe
Przejściowe siatki cieplneTransient thermal gratings (TTG)
2sin
4cosexp
yt
mθ
y Dla małych θ
22
2
4
J. Bodzenta - Metody pomiaru parametrów cieplnych cial stałych 21
Podsumowanie
Pomiar parametrów cieplnych jest trudny Trudno jest wyróżnić standardowe metody
pomiaru Większość metod jest oparta na
dopasowaniu parametrów w ramach założonego modelu
Większość metod jest oparta na bezpośrednim lub pośrednim pomiarze temperatury powierzchni próbki