metody pomiaru parametrÓw cieplnych ciaŁ staŁych
DESCRIPTION
METODY POMIARU PARAMETRÓW CIEPLNYCH CIAŁ STAŁYCH. Jerzy Bodzenta. Parametry cieplne Podstawowe równania Metody stałego strumienia Metody zmiennego strumienia Metody impulsowe Podsumowanie. Parametry cieplne. Ciepło właściwe C [J·kg -1 K -1 ] Współczynnik przewodnictwa cieplnego - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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