УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2022 года по МПК G01N25/18 G01K7/16 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплофизических свойств пластичных материалов, биологических тканей и жидкостей, органических жидкостей, в том числе и в быстропротекающих и необратимых процессах, а так же для измерения нестационарных температур.

Предлагаемые способ и устройство относятся к группе исследования или анализа материалов с помощью тепловых средств, среди которых на современном уровне развития техники применяются или известны следующие технические решения.

Известен способ измерения тепловой активности твердых тел, заключающийся в том, что на поверхность изучаемого тела прикладывается металлическая пластина с известной тепловой активностью, внутри которой находятся 2 датчика температуры, один из которых расположен ближе к верхней плоскости пластины, а второй - ближе к плоскости, соприкасающейся с исследуемым телом. Пластину сверху разогревают периодическим нагревом и регистрируют температуру на датчиках. При обработке результатов эксперимента выделяют гармонические составляющие и рассчитывают отношения амплитуд основной гармоники для двух точек измерения. Тепловой ноток имеет синусоидальный вид, граничные условия четвертого рода заданы при описании модели. (Патент РФ, RU №2462703, МПК G01N 25/18, опубл. 27.09.2012, БИ №27) Недостаток способа заключается в том, что главным источником погрешностей оценки тепловой активности является измерение температуры и невозможность применения метода для жидких сред. Для уменьшения погрешностей необходимо эталонную пластину с датчиками выбирать со схожими теплофизическими характеристиками к изучаемому телу. Быстропротекающие тепловые процессы невозможно регистрировать указанным методом. Еще один недостаток способа и устройства заключается в зависимости результата измерения от состояния поверхностного слоя между эталонной пластиной с датчиками и исследуемым материалом, т.е. от неровности и шероховатости поверхности исследуемого материала. Это приводит к снижению воспроизводимости и точности получаемых результатов и ограничивает номенклатуру измеряемых материалов.

Известен способ изучения теплофизических свойств жидкостей, в котором тепловой поток от линейного спиралевидного датчика задан двумя прямоугольными разными импульсами и метод заключается в том, что нагрев жидкости импульсом электрического тока ведут до избранной температуры ниже температуры ее достижимого перегрева, после чего на зонд подают второй импульс электрического тока и повторно нагревают его до избранной температуры, затем измеряют время достижения избранной температуры при втором импульсе, причем в качестве регистрируемого при избранной температуре физическою параметра используют показатель термического сопротивлении жидкой среды, о величине которого судят по времени достижения избранной температуры при втором импульсе. (Патент РФ, RU №2221238, МПК G01N 25/00, опубл. 10.01.2004, БИ №) Недостаток способа заключается в том, что метод измерения не позволяет исследовать температурные волны в исследуемой среде и не дает конкретные значения измеряемых теплофизических свойств жидкостей. Данные процессы в способе не учитываются, поэтому способ не обеспечивает получение результатов с заданной высокой точностью.

Известны способы изучения теплофизических свойств твердых тел с помощью линейных источников тепла расположенных на поверхностях изучаемого чела, которые разогреваются одиночным прямоугольным импульсом или серией импульсов тока. В эксперименте на изучаемом твердом теле рядом с резистивным элементом линейного датчика так же находится датчик температуры (Патент РФ, RU №2255329, МПК G01N 25/18, опубл. 27.06.2005, БИ №18) или датчик разности температуры (Патент РФ, RU №2161301, МПК G01N 25/18, опубл. 27.12.2000, БИ №). Недостатками этих способов и устройств являются невозможность определения значения тепловой активности твердых чел. Устройствам и методам присущ недостаток предыдущих способов и устройств - зависимость результата измерения от состояния поверхностного контактного слоя между линейным нагревателем и исследуемым материалом, как результат этого - недостаточная точность результатов измерений.

Известен ряд патентов по изучению теплофизических свойств жидкостей и газов в потоке с определением значения кинематической вязкости изучаемой среды (Патент РФ, RU №2139528, МПК G01N 25/18, опубл. 10.10.1999, БИ №28), (Патент РФ, RU №2209417, МПК G01N 25/00, опубл. 27.07.2003, БИ №21), (Патент РФ, RU №2233440, МПК G01N 25/18, опубл. 27.07.2004, БИ №21). В основе этих методов используется импульсный одиночный разогрев измерительного датчика электрическим током, а для обеспечения метрологической точности выполняется несколько импульсов тока с обработкой результата в каждом из них. Реализуется абсолютный метод измерений электрическою сопротивления измерительного датчика с помощью схемы мостика Уинстона. Устройства и методы позволяют определять теплофизические свойства жидкостей и газов, такие как значения теплопроводности, тепловую активность, температуропроводность. Суть работы устройств и их комплектация для определения свойств жидкости и газа включают: генератор, источник питания, ключ, измерительный мост, в одно плечо которого включен нагревательный датчик, в три других - переменные сопротивления, одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенным источнику питания и ключу, а вторая диагональ параллельно подключена к измерительной системе, при этом в плечо моста с нагревательным датчиком последовательно включено дополнительное переменное сопротивление, в другое плечо моста, один из входов которого соединен с нагревательным датчиком и источником питания, последовательно включен дополнительный датчик, имеющий такой же температурный коэффициент сопротивления, как и у нагревательного датчика. Измерения коэффициентов тепловой активности и кинематической вязкости делаются в режиме измерения коэффициента теплопроводности. В отличие от ранее рассмотренных аналогов, эти устройства и способы измерения теплофизических свойств жидкостей и газов получают значения коэффициентов, не искаженные радиационным переносом тепла, так называемые «истинные», молекулярные. Общим недостатком для импульсного разогрева резистивного элемента измерительного датчика служит электрическая схема подачи импульса тока прямоугольной формы, поскольку его передний и задний фронт нарастания спада тока не происходит мгновенно, и это влияет на точность измерения в качестве систематической ошибки измерения, связанной с неопределенностью реально выделяемой мощности на измерительном датчике во время импульса тока. Неоднородность по толщине нити-датчика, приводит к погрешностям измерения, увеличивая относительную методологическую погрешность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для автоматического определения коэффициента теплопроводности жидкостей и газов, содержащее генератор и измерительный мост с источником питания и ключом, в одно плечо которого включена нагревательная, нить-датчик, в три других - переменные сопротивления, а одна диагональ которого параллельна подключена к последовательно соединенным источнику питания и ключу, дополнительно содержит блок регистрации дискретных значений напряжения, блок памяти, вычислительный блок, усилитель и блок управления, один вход которого соединен с одним выходом генератора, второй вход - с первым выходом блока регистрации, девять других - с девятью выходами вычислительного блока, один выход блока управления соединен с первым входом блока регистрации и одним входом блока памяти, второй выход - с одним входом ключа и одним входом блока памяти, а три других - с тремя другими входами блока памяти, десять входов которого соединены с десятью выходами блока регистрации, второй вход которого соединен через усилитель с двумя выходами измерительного моста, а девять выходов блока памяти соединены с девятью входами вычислительного блока (А.с. СССР №1157428, МПК G01N 25/18, опубл. 23.05.1985, БИ №19). В предлагаемом устройстве (омметре) не используется мостик Уинстона с переменными сопротивлениями для определения сопротивления датчика во время его разогрева. Подключение измерительного датчика к предлагаемому устройству (омметру) производится по четырехканальной схеме (А.с. СССР №463931, МПК G01r N27/16, опубл. 02.09.1975, БИ №10).

Недостатки устройства и способа следующие. Ограниченность применения пег возможности исследовать теплофизические свойства пластичных сред. Использование только специально изготовленного датчика в виде нити ограничивает возможность использовать стандартные датчики, а так же датчики с иной конфигурацией геометрии теплового поля, например плоские датчики с тепловым полем в виде плоскости. Конфигурация оборудования не позволяет делать максимально прямые начало и конец фронта тока, поданного импульсно от генератора. Возможен дрейф показателей измерений из-за наличия переменных сопротивлений. Устройство и способ не позволяют исследовать другие теплофизические параметры, кроме теплопроводности. Устройство не может регистрировать быстропротекающие процессы в исследуемом объекте во время разогрева датчика. Поэтому способ не может обеспечить высокой воспроизводимости результатов одноименных измерений. Устройство, реализующее способ, повторяет недостаток способа. Неоднородность по толщине нити-датчика добавляет погрешности измерения и увеличивает относительную методологическую погрешность.

Цель изобретения - повышение информативности измерений, сокращение времени проведения эксперимента.

Указанная цель достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве (омметре) включающее соединители, фильтры низких частот, 24-х разрядный АЦП, прецизионный источник опорного напряжения, микроконтроллеры, прецизионный регулируемый линейный стабилизатор, цифровой потенциометр, импульсный преобразователь, набор резисторов и транзисторов, конденсаторов, сконфигурированных так на плате, что:

1) можно проводить измерения по пяти каналам измерений одновременно;

2) каждый канал измерения можно настроить отдельно;

3) можно использовать стандартные заводские и специально изготовленные датчики разной геометрии теплового поля - линейные и плоскости;

4) фронт нарастания и спада тока в импульсе происходит практически сразу;

5) используются стандартные заводские плоские датчики;

6) во время импульса тока с заданной частотой снимаются показания сопротивления датчика в каждом импульсе на каждом канале измерения и фиксируются в оперативной памяти устройства (омметра), а после чего передаются на персональный компьютер;

7) компонентная база элементов устройства не имеет дрейфа;

8) четырехканальная схема подключения обеспечивает высокую точность и воспроизводимость результатов измерения электрического сопротивления.

Указанная цель достигается за счет того, что в предлагаемом методе измерений можно разогревать датчики разными по мощности и времени импульсами тока и регистрировать сопротивление датчика с высокой точностью во время его разогрева с очень высокой частотой снятия сигнала. Математические модели и расчетные формулы для определения теплофизических характеристик и иных физических величин расширяют информативность метода и позволяют:

1) одновременно определять комплекс теплофизических значений объекта измерений - теплопроводность, тепловую активность, температуропроводность;

2) используя одного типа датчик, а именно меандр, при разных режимах создавать тепловое поле от него в виде линии при малой мощности импульса и в виде плоскости при большей мощности импульса тока;

3) расчетные формулы позволяют учитывать подложку плоских датчиков, а так же толщину защитного покрытия резистивного элемента датчика или наличие оксидного тонкого слоя резистивного элемента;

4) возможно использование датчиков как стандартных заводских, так и специально изготовленных;

5) благодаря высокой частоте снятия сигнала в импульсе тока с датчика можно изучать быстропротекающие теплофизические явления, например, изменение молекулярной массы (по А.с. СССР №1778653, МПК G01 N25/12, опубл. 30.11.1992, БИ №44), температуру нуклеации, температуру плавления при соответственном планировании эксперимента;

6) основной способ измерения и расчетов на предлагаемом устройстве (омметре) выполняется по абсолютному методу измерений, однако методически возможно делать относительные измерения при наличии эталонных образцов с изученными свойствами;

7) благодаря высокой частоте снятия сигнала в импульсе тока с датчика можно изучать теплофизические свойства многослойных пластичных тел - толщину слоя, значения теплопроводности и тепловой активности в рамках одного эксперимента, что сокращает время опыта;

8) наличие защитного покрытия у стандартного заводского датчика позволяет проводить исследования не только в органических и биологических жидкостях, но и в электропроводящих растворах и жидкостях в широком диапазоне температур и давлений;

Методической особенностью заявленного основного метода измерений пластичных тел, биологических тканей и жидкостей, значений их тепловой активности и теплопроводности по данному изобретению является:

1) прижатие измерительного датчика к техническим пластичным телам производится на ровной их поверхности, которую, при необходимости, надо зачистить для обеспечения лучшего контакта, чтобы не допустить контактного сопротивления из-за прослойки воздуха между поверхностями;

2) прижатие датчика к техническим пластичным телам делается с усилием так, чтобы структура и целостность измеряемого тела не изменилась;

3) при измерениях теплофизических свойств биологических тканей их поверхность необходимо выровнять и очистить, при необходимости, от волос и потожировых выделений;

4) при измерениях теплофизических свойств биологических тканей необходимо задавать более длительные импульсы тока, чтобы длина тепловой волны в импульсе была больше размера неоднородностей биообъекта;

5) при измерениях теплофизических свойств биологических тканей необходимо устанавливать датчик измерения в месте, где нет рядом расположенных крупных сосудов, а прижимать датчик необходимо так, чтобы не было контактного сопротивления в виде слоя воздуха между датчиком и телом, а также регулировать усилие на датчик, чтобы не передавливать (нарушать) кровообращение в капиллярном русле в месте измерения.

6) при измерениях теплофизических свойств в жидкости при выборе малою времени импульса тока и большого напряжения на датчике, обеспечивающим тем самым высокую мощность за короткое время, значения теплопроводности и тепловой активности не искажены радиационным переносом тепла;

7) при измерениях теплофизических свойств биологических тканей получаются эффективные значения теплопроводности и тепловой активности, которые могут отличаться в разных экспериментах ввиду особенностей биомедицинской метрологии;

8) при измерениях теплофизических свойств биологических тканей необходимо, чтобы разогрев датчика не вызвал термический ожог биологических тканей.

9) при измерениях время между импульсами тока задается таким образом, чтобы датчик успел остыть, а тепловая энергия за время разогрева в импульсе от датчика диссипировалась в изучаемую среду и не накапливалась там.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ. На фиг. 2 представлены схемы датчиков с размерами и расположение резистивного элемента на подложке датчика, поясняющие принцип измерения.

Теоретическое обоснование способа.

Как было указано, главными недостатками аналогов являются:

трудность точного определения температуры датчика; необходимость использования эталонного образца среды или нагревателя; наличие контактного сопротивления; невозможность одновременного определения значений тепловой активности и теплопроводности; форма нарастания и спада значения тока в импульсе имеет не прямоугольные формы; невозможно использовать стандартные заводские датчики; отсутствие учета оттока тепла от резистивного элемента датчика в пограничный слой - оксидный для не платиновых датчиков, защитное покрытие датчика; невозможность изучать быстропротекающие физические процессы; низкая производительность оборудования; неоднородность толщины нити-датчика.

Для устранения указанных недостатков предлагается применить технический прием, суть которого заключается в регистрации сопротивления резистивного датчика во время его разогрева импульсом тока с заданной частотой снятия сигнала, при этом длительность фронта импульса и длительность спада импульса напряжения (тока) на датчике имеют минимальное время и практически прямую форму, а так же есть возможность задавать разное время импульса тока и его мощность с помощью изменения подаваемого напряжения. Благодаря многоканальности устройства (омметра), использованию стандартных заводских датчиков на подложке или специально изготовленным и поправкам в расчетные формулы, сокращается время измерения значений теплофизических величин - теплопроводности и тепловой активности, повышается информативность измерений, воспроизводимость результатов, а благодаря возможности передачи измерений на компьютер становится возможным изучение теплофизических свойств в режиме реального времени.

Техническое воплощение способа сводится к реализации электрической схемы, изображенной на Фигуре 1. Принцип действия устройства (омметра), состоящею из соединителей, фильтров низких частот, 24-х разрядного АЦП, прецизионного источника опорного напряжения, микроконтроллеров, прецизионного регулируемого линейного стабилизатора, цифрового потенциометра, импульсного преобразователя, набора резисторов и транзисторов, конденсаторов, сконфигурированных так на плате, что позволяет подключать пять датчиков, следующий. Датчики подключаются к соединителю X1. Входные выводы датчиков соединяются вместе и подключаются к питающему контакту 1 «+Vdd» отдельным проводником.. Чтобы исключить измерение напряжения в проводнике питания, используется еще один измерительный проводник, связывающий точку соединения входных выводов резисторов с контактом 2 «+V изм. Общ.». Выходные выводы резисторов подключаются к соответствующим контактам 8…12 «I изм. кан. №» отдельными проводниками питания. Чтобы исключить измерение напряжения в проводниках питания используются дополнительные измерительные проводники, связывающие выходные выводы датчиков (резисторов) с соответствующими контактами 3…7 «-V изм. кан. №». С соединителя X1 измеряемые напряжения (между контактом «+V изм. общ» и соответствующими контактами «-V изм. кан. №») подаются через фильтры низких частот, выполненные из резисторов R15…R20 и конденсаторов С11…С15, на входы прецизионного 24-х разрядного сигма-дельта АЦП DD1. Передаточную характеристику АЦП задает прецизионный источник опорного напряжения DA1. Полученный в АЦП цифровой код, пропорциональный измеренному напряжению передается через SPI-интерфейс в микроконтроллер DD5. Токи, протекающие через измеряемые датчики (резисторы), от контакта 1 «+Vdd» к контактам 8…12 «I изм. кан. №» далее протекают через один из двух наборов токоизмерительных резисторов R4…R8 или R9…R13. Выбор набора осуществляется переключением реле K1…K5 по сигналу от микроконтроллера DD5 в зависимости от диапазона измеряемого тока. Напряжения с токоизмерительных резисторов, пропорциональные измеряемым токам, подаются через фильтры низких частот, выполненные из резисторов R21…R32, конденсаторов С20…С24 и конденсаторов С30…С34, на входы прецизионного 24-х разрядного сигма-дельта АЦП DD2 или DD3 в зависимости от выбранного диапазона измерения. Передаточные характеристики АЦП задают прецизионные источники опорного напряжения DA2 и DA3. Полученный в АЦП цифровой код, пропорциональный измеренному току передается через SPI-интерфейс в микроконтроллер DD5. Микроконтроллер DD5 осуществляет необходимые вычисления и передает их результаты в персональный компьютер по интерфейсу RS-232. Формирование соответствующих интерфейсу RS-232 уровней сигналов осуществляет микросхема DD6. Управление измерителем осуществляется но командам от персонального компьютера, поступающим в микроконтроллер DD5 через интерфейс RS-232. Питание схемы осуществляется от типовых источников постоянною напряжения 24В/4А, 10В/1А и 5В/1А. Напряжение питания измеряемых датчиков (резисторов) формирует прецизионный регулируемый линейный стабилизатор, выполненный на микросхемах DA4…DA7. Выходное напряжение линейною стабилизатора задает набор резисторов R61…R65. Подключение нужного резистора в зависимости от выбранного выходного, напряжения осуществляют транзисторы VT3…VT6 по сигналу от микроконтроллера DD5. Для точной подстройки выходного напряжения и компенсации его изменения в зависимости от температуры и тока нагрузки, последовательно с набором резисторов включен цифровой потенциометр. Управление цифровым потенциометром осуществляет микроконтроллер DD5 через SPI-интерфейс. Для уменьшения потерь в линейном стабилизаторе и как следствие увеличения его температурной стабильности, напряжение от источника питания предварительно снижается до необходимой величины, е помощью импульсного преобразователя, выполненного на основе микросхемы DA8. Выходное напряжение импульсного преобразователя задает набор резисторов R66…R69. Подключение нужного резистора в зависимости от выбранного выходного напряжения осуществляют транзисторы VT7…VT10 по сигналу от микроконтроллера DD5. Условия эксперимента задаются через персональный компьютер и посредством интерфейса RS-232 передаются на устройство, в процессе проведения эксперимента данные накапливаются в устройство памяти па плаче, а по окончанию процесса передаются на персональный компьютер но средствам интерфейса RS-232 и конечным результатом служит текстовый файл, из которого при помощи программы обработки данных получаются искомые значения коэффициентов теплофизические свойства пластичных материалов, биологических тканей и жидкостей.

Данное устройство реализует абсолютный метод импульсного иррегулярного теплового режима. Для него характерными входными данными являются:

1) выбирается режим использования канала цифрой 1 «снятие» или 2 «импульс».

2) напряжение U, подаваемое на датчик регулируется в диапазоне значений - 0,01В, от 0,05В до 1В с шагом 0,05В, от 1В до 10В с шагом 0,5В, от 10В до 20В с шагом 5В;

3) частота снятия сигнала в импульсе сопротивления датчика выбирается от 0,005с до 1с с шагом 0,005с;

4) время импульса задается от 0,01с до 5с с шагом 0,01с

5) время следующего импульса задается как произведение времени импульса на заданное число из диапазона от 2 до 700 с шагом 1.

6) режим опроса датчика делается всегда при напряжении 0,01В, в котором задаются частота опроса датчика как в 2) и задается время, в течении которого будет эксперимент от 30 с до 5 мин с шагом в 30 с;

7) время проведения эксперимента ограничено 15 мин, поскольку больше не позволяет память устройства;

8) минимальное сопротивление датчика, который можно подключить к устройству 35 Ом (но рекомендуется от 50 Ом);

После настройки необходимых каналов измерения (всего их пять штук) и подключения к персональному компьютеру для вывода результатов эксперимента из памяти устройства, нажимается кнопка «Пуск» и проводится эксперимент. Кроме стандартных заводских датчиков, можно использовать и не стандартные, изготовленные на заказ, но не меньше сопротивления в 35 Ом различной конструкции - в виде нити с/без покрытия, плоские с/без подложки с/без покрытия.

Используя современный стандартный заводской линейный датчик (термометр сопротивления) на подложке с покрытием (обычно Pt100, Pt500, Pt1000) методика измерений значений коэффициентов теплофизических свойств пластичного материала, биологических тканей и жидкостей сводится к: 1) определению теплофизических характеристик подложки датчика и его, линейных размером - толщины подложки, площади и длины резистивного элемента (платины); 2) определению коэффициента тепловой активности; 3) определению коэффициента теплопроводности.

Теоретические основы.

Определение теплофизических свойств измерительного датчика и его геометрических размеров.

Большинство датчиков сопротивления из платины изготавливаются на керамической подложке, толщина L* которой обычно равна 0.63 мм, 0.38 мм, 0.25 мм. Линейные датчики с покрытием на подложке делают в разным модификациях - Фигура 2. С помощью фотолитографии наносят слой платины шириной 2В разного состава для разного класса датчиков в виде прямой линии или меандра с расстоянием между краями напыления 2l*. Сверху резистивный элемент покрывают защитным слоем малой толщины δ(δ<<L*).

Если в паспорте изделия и в рекламных материалах нет геометрических размеров толщины подложки L*, ширины полоски напыления резистивного элемента (платины) 2В. толщина защитного покрытия δ, расстояния между дорожками резистивного элемента 2l* и общей длины резистивного элемента L, их размеры можно узна 2В помощью оптического микроскопа или запросить у производителя.

Известно, что при импульсном разогреве линейного датчика на подложке при построении графика зависимости температуры датчика в месте раздела сред от натурального логарифма отношения времени конца импульса к его началу существует характерный излом на прямой линии. Этот излом характеризует момент времени, начиная с которого температурная волна от нагреваемого резистивного элемента выходит за подложку датчика и начинается измерение свойств только исследуемою объекта. Для современных линейных датчиков на подложке с покрытием при их импульсном нагревании в течении одного длинного импульса в однородной среде (воздухе, жидкости) будет на аналогичном графики 2 точки с перегибами прямой линии - первый характеризует покрытие в момент времени t₁, а второй подложку в момент времени t₂ (t₂>t₁). Если измерительный датчик поместить в однородную среду с известной тепловой активностью ε_эталон и знать длину резистивного элемента L и ширину напыления 2В его, то по формуле (1) можно узнать тепловую активность подложки ε_{подложки}, подав на датчик единичный длинный импульс и снимая показатели сопротивления датчика в импульсе с максимальной частотой для построения более точного графика линейной зависимости температуры от натуральною логарифма времени. Рекомендуется выбирать на устройстве (омметре) такое напряжение питания канала, чтобы импульсы имели большую мощность, но при этом, ток на датчике не превышал рекомендуемый максимальный I_max, чтобы не учитывать самонагрев датчика Q_c.

I_max - максимальный рекомендуемый ток по паспорту датчика, Q_c - самонагрев датчика, известная величина по паспорту датчика.

Для такого измерения идеально подойдет линейный датчик на подложке без меандра. Если используется геометрия меандра резистивного элемента, то время, используемое в расчетной формуле I t₂, надо уменьшить до времени, когда температурные волны от полосок резистивного элемента в плоскости их расположения встретятся, а именно, когда температурная волна от полоски не будет равна половине длины расстояния между полосками резистивного элемента, расположенного в виде меандра на подложке. Вместо t₂ надо брать в формуле I.

Если известна ширина подложки от производителя или в результате измерения под микроскопом, то можно узнать значение температуропроводности ее а_{подложки} по формуле 2.

Для линейных датчиков на подложке с геометрией резистивного элемента в виде меандра можно сделать температурное поле от него в виде плоскости, а не линейного. Для некоторых типов датчиков, как на фигуре 2 (левый и центральный датчик), можно воспользоваться альтернативным методом определения тепловой активности подложки датчика ε_{подложки}. Температуры воздуха и датчика равны и считается равным нулю тепловая активность воздуха. В такой конструкции датчика геометрические размеры должны удовлетворять условию 1*≈L* и t₂≈t₂*. Тогда при разогреве датчика в воздухе импульсом тока, ниже максимального значения I_max в течении времени t₂ расчет для определения ε_{подложки} будет по формуле 3.

Уравнение с одной неизвестной величиной решается численным методом и находится искомая величина тепловой активности подложки датчика ε_{подложки}.

Значение коэффициента теплопроводности λ_{подложки} подложки можно рассчитать по формуле 4.

Для расчета значения коэффициента теплопроводности подложки λ_{подложки} воспользоваться формулой 5.

ΔT₁ и ΔТ₂ - значения перегрева датчика: ΔT₁=T(R(t₁))-T(R(t₀)), ΔТ₂=T(R(t₂))-T(R(t₀)). T(R(t)) - значение температуры измерительного датчика, согласно его классу точности (2В, В, A, 1/3DIN и нестандартные, например, 1/10 DIN по стандарту DIN EN 60751) после его разогрева импульсом тока I за время t (t₀=0).

Для такого измерения идеально, подойдет линейный датчик на подложке без меандра. Для линейного датчика с расположением резистивного элемента меандром значение теплового потока от датчика будет искажено ввиду его самонагрева из-за того, что толщина подложки L* больше расстояния между полосками напыления резистивного элемента 2l* и тепловые поля от полосок в.плоскости напыления будут перекрывать друг друга. Если используется геометрия меандра резистивного элемента, то время, используемое в расчетной формуле 4 t₂, надо уменьшить до времени, когда температурные волны от полосок резистивного элемента в плоскости их расположения встретятся, а именно, когда температурная волна от полоски не будет равна половине длины расстояния между полосками резистивного элемента, расположенного в виде меандра на подложке. Вместо t₂ надо брать в формуле 5.

Существует и еще один способ определения теплопроводности материала подложки λ_{подложки}. Суть метода заключается в том, что бы измерительный датчик погрузить в жидкость стороной с защитным покрытием на глубину, сопоставимую с толщиной покрытия δ, то есть датчик только касается поверхности жидкости. Под этот датчик устанавливают такой же датчик термосопротивления на определенное расстояние. Это расстояние такое: если используется датчик линейный с подложкой с резистивным элементом в виде прямой линии, то на расстоянии (L*-2δ), а если с резистивным элементом в виде меандра, то на расстоянии (1*-2δ). Эти расстояния между идентичными датчиками выбираются равными длине теплового поля в момент разогрева датчика разными импульсами. В первом случае прогрев идет на всю глубину подложки L*, а во втором на глубину в половину размера расстояния между полосками резистивного элемента, что бы температурное поле от датчика имело линейную симметрию, а не плоскую и неоднородную (перегретую в разным местах). Жидкость охлаждают до температуры Т₀₃, что бы была разница температур между нею и окружающим воздухом с температурой Т₀₂. Измерительный датчик имеет начальную температуру как у воздуха окружающего, а второй датчик в исследуемой жидкости Т₀₃, который используется для измерения температуры и не разогревается импульсами тока, находится в режиме ожидания под опорным напряжением. В момент считывания сигнала снимаются показания его с такой же частотой, как у измерительного датчика во время его разогрева импульсом тока. В первом случае время разогрева измерительного датчика в импульсе тока равно t₂, а для второго случая (меандра) - Два датчика синхронизированы по частоте снятия показаний сопротивлений, а сама частота выбирается максимальной (каждые 0,0005с происходит снятие сигнала). Условием такого эксперимента является соотношение 2δ/1*<<1. Для каждого из двух вариантов расположения резистивного элемента, линии и меандра, рекомендуется выбирать ток разогрева датчика не выше его максимального значения I_max по паспорту изделия, что бы исключить самонагрев. Такая модельная задача рассмотрена в литературе [Лыков, Л.В. Теория теплопроводности/ А.В. Лыков - М.: Высшая школа, 1967. - 650 с, Гл. 6] и имеет аналитическую зависимость температуры в месте соприкосновения твердого и жидкого тел по формуле 6.

где α - коэффициент теплоотдачи от жидкости к подложке датчика, Вт/(м²К); х - расстояние между датчиками, м; t - время, с.

Второй датчик измеряет сопротивление в режиме опроса датчика и потом это значение переводится в температуру, в зависимости от класса его точности. Для моментов времени t₁ и t₂ или t_2* можно записать систему из двух уравнений с двумя неизвестными - теплопроводности подложки датчика λ_{подложки} и коэффициентом теплоотдачи от жидкости к подложке датчика α. Решая эти системы уравнений:

Определение теплофизических характеристик жидкостей.

Благодаря малым размерам конструкции современных датчиков в несколько миллиметров, измерения теплофизических свойств жидкостей можно проводить в малых объемах сопоставимых с размерами датчика. Используя плоский линейный датчик на подложке с покрытием можно определить сразу температуропроводность изучаемой жидкости а_{жидкости} без движения по формуле 7. Для этого надо в эталонной близкой по свойствам жидкости с известной температуропроводностью а_{жидкости(эт)} подать длинный импульс тока I и построить график прямой линии зависимости температуры датчика от натурального логарифма времени импульса по точкам со значениями сопротивления, которые регистрирует устройство (омметр) с заданной частотой снятия сигнала, для определения времени, когда угол наклона прямой изменится в первый раз во время t₁ и во второй раз через время t₂. Аналогично проделать с исследуемой жидкостью. Рекомендуется использовать разогрев датчика допустимым током, чтобы не вызывать самонагрев его.

Для определения тепловой активности исследуемой жидкости ε_{жидкости} с помощью линейного датчика на подложке с защитным покрытием резистивного элемента можно использовать расчетную формулу 8, которая учитывает линейные размеры резистивного элемента разогреваемого током I [Спирин Г.Г. Кратковременные измерения в стадии иррегулярного теплового режима и диагностика теплофизических свойств диэлектрических веществ и материалов на их основе: Дис. докт. техн. наук. М. ИВТАН. 1986. 390 с.]. Необходимо выбирать подаваемое напряжение на устройстве (омметре) измерительного канала так, чтобы не допустить предельное значение силы тока измерительного датчика I_max, что бы не было самонагрева. Время импульса должно быть не больше а минимальное время должно быть больше частота снятия сигнала в импульсе максимальна.

J=0 - остаточный член при F₀₁<0.1 получится J<0.01, поэтому им можно пренебречь.

Лучше всего использовать линейный датчик на подложке в виде прямой линии, а не меандра. Если используется геометрия меандра резистивного элемента, то время, используемое в расчетной формуле надо уменьшить до времени, когда температурные волны от полосок резистивного элемента в плоскости их расположения встретятся, а именно, когда температурная волна от полоски не будет равна половине длины расстояния между полосками резистивного элемента, расположенного в виде меандра на подложке. Вместо надо брать в формуле 8 как возможное максимальное значение, при этом на таком датчике толщина защитного покрытия много меньше половины длины между полосками резистивного элемента δ<<1*. Рекомендуется брать малые импульсы по времени для любого типа датчика по геометрии резистивного поля (прямая и меандр) порядка .

По формуле 8 решаются по отдельности два уравнения с одной неизвестной величиной ε_{жидкости} и выбирается решение, которое соответствует условиям выше.

Каждая жидкость (или раствор) имеют свои ориентировочные значения коэффициентов теплофизических величин, свойственные этому классу жидкостей. После получения данных о тепловой активности подложки датчика ε_{подложки} можно оценить примерное значение отношение ε_{подложки}/ε_{жидкости}. Если ε_{подложки}/ε_{жидкости}<<1, например, составляет 0.01, то учитывать подложку не надо и можно рассчитывать значения тепловой активности жидкости ε_{жидкости} по формуле 9, по аналогии с формулой 1. Если ε_{подложки}/ε_{жидкости}>>1, например, составляет 50, то применять указанный метод для расчета значения тепловой активности жидкости ε_{жидкости} стоит с максимальным током разогрева датчика I, что бы был самонагрев, то есть и временем и вести расчет по формуле 8 заменив q_s на

При таком расчете если импульс тока будет коротким (например, сравним с t₁) и его мощность будет максимальна, то значения тепловой активности жидкости ε_{жидкости} будут молекулярными («истинными»), а при других параметрах измерения будут измерены эффективные значения, искаженные радиационным переносом тепла.

Для линейных датчиков на подложке с геометрией резистивного элемента в виде меандра можно сделать температурное поле от него в виде плоскости, а не линейного. Для некоторых типов датчиков, как на фигуре 2 (левый и центральный датчик), можно воспользоваться альтернативным методом определения тепловой активности исследуемой жидкости ε_{жидкости}. Температуры датчика и исследуемой жидкости равны. В такой конструкции датчика геометрические размеры должны удовлетворять условию l*≈L* и t₂≈t₂*. Тогда при разогреве датчика в исследуемой жидкости импульсом тока, ниже максимального значения I_max в течений времени t₂* расчет для определения ε_{жидкости} будет по формуле 10 известной из литературы [Спирин Г.Г. Кратковременные измерения в стадии иррегулярного теплового режима и диагностика теплофизических свойств диэлектрических веществ и материалов на их основе: Дис. докт. техн. наук. М. ИВТАН. 1986. 390 с.].

Уравнение с одной неизвестной величиной решается численным методом и находится искомая величина тепловой активности жидкости ε_{жидкости}.

Зная тепловую активность жидкости ε_{жидкости} и ее температуропроводность ε_{жидкости} можно по формуле 4 рассчитать значение теплопроводности жидкости λ_{жидкости}, заменив значения коэффициентов подложки на значения коэффициентов жидкости.

Особенностью предлагаемого метода измерения значения теплопроводности жидкости λ_{жидкости} является то, что это значение можно рассчитать из опыта не путем комбинирования полученных значений коэффициентов температуропроводности жидкости а_{жидкости} и ее тепловой активности ε_{жидкости}, а в ходе опыта. Для этого датчик в исследуемой жидкости разогревают импульсом тока I в течении времени Расчет производится по формуле 11, которая учитывает линейные размеры резистивного элемента разогреваемого током I [Спирин Г.Г. Кратковременные измерения в стадии иррегулярного теплового режима и диагностика теплофизических свойств диэлектрических веществ и материалов на их основе: Дис. докт. техн. наук. М. ИВТАН. 1986. 390 с.]. Рекомендуется брать максимальное время, близкое к но не превосходящее его.

С=1.781 - постоянная Эйлера, lnC=0.577. При этом тепловой поток от резистивного элемента

Расчетная формула 11 справедлива для плоского линейного датчика на подложке с покрытием с геометрией резистивного элемента в виде прямой линии. Если используется геометрия меандра резистивного элемента, то время, используемое в расчетной формуле 11 надо уменьшить до времени, когда температурные волны от полосок резистивного элемента в плоскости их расположения встретятся, а именно, когда температурная волна от полоски будет равна половине длины расстояния между полосками резистивного элемента, расположенного в виде меандра на подложке. Вместо надо брать в формуле 11. В таком случае может оказаться, что половина расстояния между полосками резистивного элемента 1* будет сопоставима с половиной ширины самой полоски резистивного элемента В. При 1*≈В (характерно для плоских датчиков на подложке у которых резистивный элемент расположен в виде меандра с очень близко расположенными полосками) температурное поле от датчика все еще будет плоским и его нельзя считать линейным и нельзя использовать формулу 11.

Если импульс тока I продлится время то тепловая волна выйдет из подложки и будет измеряться только исследуемая жидкость и можно использовать формулу 12 по аналогий с формулой 5.

ΔT₁ и ΔТ₃ - значения перегрева датчика: ΔT₁=T(R(t₁))-T(R(t₀)), ΔТ₃=T(R(t₃))-T(R(t₀)), T(R(t)) - значение температуры измерительного датчика, согласно его классу точности (2В, В, A, 1/3DIN и нестандартные, например, 1/10 DIN по стандарту DIN EN 60751) после его разогрева импульсом тока I за время t (t₀=0).

Из-за того, что длительность импульса t₃ велика составляет несколько секунд, то при измерениях коэффициента теплопроводности жидкости λ_{жидкости} получится его эффективное значение, искаженное радиационным теплопереносом. Рекомендуется использовать ток в канале измерения на датчике, не превышающем его максимальное значение, чтобы не было самонагрева. При нагреве плоского линейного датчика на подложке, у которого резистивный элемент в виде меандра, длительными импульсами тока, например, со временем t₃, его температурное поле не будет иметь вид линейного, а будет иметь вид плоского, причем неравномерного. Плоское температурное поле от датчика обычно используется для изучения тепловой активности вещества, но если оно не равномерно нагрето, то расчетные формулы будут давать неверный результат. Для такого датчика нельзя применять расчеты по формуле 12.

Определение теплофизических свойств пластичных материалов.

Определение температуропроводности пластичного материала а_ПЛ делается по аналогии с жидкостями. Выбирается такого же класса пластичный материал с известными теплофизическими свойствами а_ПЛ(ЭТ). На поверхность устанавливают линейный датчик на подложке и прижимают его так, что бы не нарушить эталонный материал. Аналогично поступают с исследуемым материалом. Подается разогревающий импульс на датчик большой длительностью, что бы температурная волна вышла за подложку. Если геометрия резистивного элемента датчика - линия, то это корректное условие эксперимента; если геометрия резистивного элемента датчика - меандр, то измерения можно считать почти корректными, хотя тепловое поле датчика со стороны пластичных тел будет неоднородным. В первом случае рекомендуется выбирать разогревающий импульс с током не превосходящим максимальное допустимое значение I_max по паспорту датчика, а в случае меандра - наоборот, выбирать максимальный разогрев датчика и учитывать его самонагрев. В процессе разогрева датчика импульсом тока с него снимаются показания сопротивления с максимальной частотой снятия сигнала (0,005с). По классу точности фиксированные значения сопротивления переводятся в температуру. Далее строится график зависимости температуры Датчика от натурального логарифма отношения времен снятия сигнала. У датчика есть защитное покрытие толщиной δ и ширина подложки L*. На графике будет прямая линия, которая в двух местах меняет свой угол наклона. Время второго изменения наклона прямой у эталонного пластичного материала будет отличаться от аналогичного у исследуемого пластичного материала Температуропроводность пластичного материала а_ПЛ определяется относительным методом по формуле 13, аналогичной формуле 7. Предполагается, что пластичный материал однородный, фазовых превращений не происходит, контактное сопротивление минимально. Минимизировать контактное сопротивление можно путем предварительного тонкого смазывания мест соприкосновения. Наличие плохого контакта между датчиком и пластичным телом выявляется как грубая ошибка при обработке экспериментальных данных.

Определение тепловой активности пластичного материала ε_ПЛ делается по аналогии с жидкостями. Для определения тепловой активности пластичного материала ε_ПЛ с помощью линейного датчика на подложке с защитным покрытием резистивного элемента можно использовать расчетную формулу 8, в которой заменить ε_{жидкости} на ε_ПЛ, а_{жидкости} на а_ПЛ и на которая учитывает линейные размеры резистивного элемента разогреваемого током I. Необходимо выбирать подаваемое напряжение на устройстве (омметре) измерительного канала так, чтобы не допустить предельное значение силы тока измерительного датчика I_max, который вызывает самонагрев. Время импульса должно быть не больше а минимальное время должно быть больше частота снятия сигнала в импульсе максимальна.

Лучше всего использовать линейный-датчик на подложке в виде прямой линии, а не меандра. Если используется геометрия меандра резистивного элемента, то время, используемое В расчетной формуле надо уменьшить до времени, когда температурные волны от полосок резистивного элемента в плоскости их расположения встретятся, а именно, когда температурная волна от полоски не будет равна половине длины расстояния между полосками резистивного элемента, расположенного в виде меандра на подложке. Вместо надо брать в формуле 8 как возможное максимальное значение, при этом на таком датчике толщина защитною покрытия много меньше половины длины между полосками резистивного элемента δ<<1*. Рекомендуется брать малые импульсы по времени для любого типа датчика по геометрии резистивного поля (прямая и меандр) порядка

По формуле 8 решаются по отдельности два уравнения с одной неизвестной величиной ε_ПЛ выбирается решение, которое соответствует условиям выше.

Альтернативным методом измерения тепловой активности пластичного тела ε_ПЛ является использование практически любого датчика на подложке - резистивный элемент в виде меандра, прямой линии или меандра с близкорасположенными полосками резистивного элемента в большом количестве на его поверхности (это датчик плоской симметрии температурного ноля, часто используется в измерениях тепловой активности или при измерениях влажности). Датчик в эксперименте не греется импульсами тока, а находится под минимальным опорным напряжением, то есть по нему идет ток минимальный и это значение должно быть как можно меньше, что бы не было самонагрева датчика. В таком случае датчик не греется (выделяемое тепло дисипируется) и имеет температуру окружающей среды Т₀₂. Подключается к измерительному устройству и задается максимальная частота снятия сигнала с него. Испытуемый образец разогревается выше температуры датчика с окружающей средой (как альтернатива - сам датчик надо подержать в холодной среде) до температуры T₀₁. Со стороны подложки толщиной L* к датчику крепится (можно на тонкий слой клея) однородное твердое (пластичное) тело с известной тепловой активностью ε₃ и температурой окружающей среды T₀₀=Т₀₂. Перед приложением к ровной поверхности пластичного изучаемого тела включается фиксирование сопротивления датчика с максимальной частотой снятия сигнала (0,005с) в оперативную память устройства. Датчик прикладывается к пластичному телу плотно, что бы не было контактного сопротивления. После плотного соприкосновения значения сопротивления датчика изменятся с одной постоянной величины на другую и так же будут постоянными по времени. По этим вторым значениям сопротивления датчика определяется его температура в месте контакта Т_ПЛ(x=0,t) согласно его классу точности и далее применяется формула 14, известная из литературы [Симанков Д.С. Влияние покрытия на формирование полей температур при кратковременном контакте двух полуограниченных неизотермических тел. // Электронный журнал «Современные проблемы науки и образования». Выпуск №2, 2013. DOI 10.6084/m9.figshare.l4527197]. Усложнение модели взаимодействия сделано по причине того, что сам датчик малого размера и его температура достаточно быстро меняется при контакте с окружающей средой и/или соприкасаемыми телами. Использование модели кратковременного взаимодействия двух твердых неизотермических тел сложно выполнить, а модель, когда одно из двух твердых тел имеет покрытие таким образом можно выполнить.

Уравнение 14 с одной неизвестной решается численно и находится ε_ПЛ.

Альтернативным методом №2 измерения тепловой активности пластичною тела ε_ПЛ является использование линейных датчиков на подложке с геометрией резистивного элемента в виде меандра, у которых геометрия размеров должна удовлетворять 1*≈L*. Для таких датчиков можно сделать температурное поле от него в виде плоскости, а не линейного. Для некоторых типов датчиков, как на фигуре 2 (левый и центральный датчик), можно воспользоваться альтернативным методом №2 определения тепловой активности исследуемого пластичного материала ε_ПЛ. Со стороны подложки толщиной L* к датчику крепится однородное твердое (пластичное) тело с известной тепловой активностью ε₃. В начальный момент времени температура датчика, температура прикрепленного к нему твердого (пластичного) тела и измеряемого пластичного тела равны. Датчик разогревается прямоугольным импульсом тока, который не превышает значение максимального тока датчика по паспорту I_max в течении времени Регистрируется температура в конце импульса в течение времени которая равна выражению по формуле 15.

При этом, если со стороны подложки будет не тело с известной тепловой активностью ε₃, а материал с очень низкой тепловой активностью ε₃=0 и достаточной прочностью (например, пемза с большими порами), что бы им можно было прижимать датчик, то формула 15 упростится до формулы 16.

Уравнение с одной неизвестной величиной решается численным методом и находится искомая величина тепловой активности пластичного материала ε_ПЛ.

Зная тепловую активность пластичного материала ε_ПЛ и его температуропроводность а_ПЛ можно по формуле 4 рассчитать значение теплопроводности пластичного материала λ_ПЛ, заменив значения коэффициентов подложки на значения коэффициентов пластичного материала.

Особенностью предлагаемого метода измерения значения теплопроводности пластичного материала λ_ПЛ является то, что это значение можно рассчитать из опыта не путем комбинирования полученных значений коэффициентов температуропроводности пластичного материала а_ПЛ и его тепловой активности ε_ПЛ, а в ходе опыта. Для этого датчик прикладывается на ровную поверхность пластичного тела и его разогревают импульсом тока I в течении времени Расчет производится по формуле 11, в которой заменить ε_{жидкости} на ε_ПЛ, α_{жидкости} на а_ПЛ и на которая учитывает линейные размеры резистивного элемента разогреваемого током I. Рекомендуется брать максимальное время, близкое к но не превосходящее его.

Расчетная формула 11 справедлива для плоского линейного датчика на подложке с покрытием с геометрией резистивного элемента в виде прямой линии. Если используется геометрия меандра резистивного элемента, то время, используемое в расчетной формуле 11 надо уменьшить до времени, когда температурные волны от полосок резистивного элемента в плоскости их расположения встретятся, а именно, когда температурная волна от полоски будет равна половине длины расстояния между полосками резистивного элемента, расположенного в виде меандра на подложке. Вместо надо брать в формуле 11. В таком случае может оказаться, что половина расстояния между полосками резистивного элемента 1* будет сопоставима с половиной ширины самой полоски резистивного элемента В. При 1*≈В (характерно для плоских датчиков на подложке у которых резистивный элемент расположен в виде меандра с очень близко расположенными полосками) температурное поле от датчика все еще будет плоским и его нельзя считать линейным и нельзя использовать формулу 11.

Определение теплофизических свойств биологических тканей.

Биологические ткани можно выделить в отдельный класс тканей и материалов. По свойствам это пластичные тела в основном, но с некоторыми особенностями в виде возможной пористости структуры, наличие в составе влаги (межклеточная жидкость, жидкость в порах желез), наличие источника тепла в объеме (метаболизм клеток), наличие теплового потока от капилляров и крупных сосудов (кровеносная сеть), наличие потока тепла от мышц при сокращении их, наличие теплового потока от сердцевины тела, а суммарный тепловой поток от тела человека имеет суточные и иные ритмы. Поэтому, для исследования теплофизических свойств живой биологической ткани необходимо использовать иррегулярный тепловой режим в опытах. Причем так, что бы измерения происходили быстро, а сама ткань не накапливала тепло от датчика. Кроме этого, для исследования кожи необходимо соблюдать еще 3 условия одновременно: максимальная температура разогрева датчика не должна быть выше 45°С в течении более 1 секунды (что бы не вызвать термический ожог); прижатие датчика не должно нарушать кровоток (особенно крупных кровеносных сосудов); минимизировать и совсем убрать контактное сопротивление между датчиком и биотканью. Убрать контактное сопротивление между датчиком и биотканью можно путем удаления волос и потожировых выделений с кожи, и смазать соприкасающиеся поверхности датчика и биоткани тонким слоем рафинированного подсолнечного масла (или вазелиновым маслом).

Существенной особенностью измерения любых физических значений величин биологического объекта сопряжено с биологической метрологией, кардинально отличающейся от метрологии измерений технических объектов. Особенностью биологической метрологии является широкий разброс значений изучаемой физической величины. Этот разброс значений обусловлен внешними и внутренними факторами функционирования биологической системы. Точность выбранных методов измерений и аппаратная погрешность измерительного оборудования в совокупности будут давать гораздо меньшую неопределенность значений измеряемой физической величины, чем разброс значений величины в эксперименте. Для того, что бы более корректно описывать получаемый результат измерений физических величин в биологическом объекте необходимо выполнять эксперимент с принципами планирования эксперимента и обработки результатов как в медицине (например: большая выборка людей со схожим здоровьем, возрастом, психологическим состоянием, в идентичных климатических условиях и так далее).

Определение коэффициента температуропроводности биологического материала а_МБО делается по аналогии с пластичными телами для диапазона температур 0-43°С. В качестве эталонного материала выбирается вазелиновое масло с известными теплофизическими свойствами а_{вазилин}. На поверхность биологического материала устанавливают линейный датчик на подложке и прижимают его так, что бы не нарушить кровообращение у живой ткани. Аналогичный датчик опускают в вазелиновое масло. Подается разогревающий импульс на датчик большой длительностью, что бы температурная волна вышла за подложку. Значение температуропроводности биологического материала а_МБО определяется относительным методом по формуле 17, аналогичной формуле 7. Предполагается, что биологический материал однородный, фазовых превращений не происходит (датчик не греем выше температуры в 45°С в течении 1 секунды, что бы не вызвать термический ожог), контактное сопротивление минимально. Минимизировать контактное сопротивление можно путем предварительного тонкого смазывания мест соприкосновения рафинированным подсолнечным маслом. Наличие плохого контакта между датчиком и биологическим телом выявляется как грубая ошибка при обработке экспериментальных данных.

Определение тепловой активности биологического материала ε_МБО делается но аналогии с пластичными телами. Для определения тепловой активности исследуемого биологического тела ε_МБО с помощью линейного датчика на подложке с защитным покрытием резистивного элемента можно использовать расчетную формулу 8, в которой заменить ε_{жидкости} на ε_МБО, а_{жидкости} на а_МБО и на которая учитывает линейные размеры резистивного элемента разогреваемого током I. Необходимо выбирать подаваемое напряжение на устройстве (омметре) измерительного канала так, что бы не допустить предельное значение силы тока Измерительного датчика I_max и избежать самонагрева. Время импульса должно быть не больше а минимальное время должно быть больше частота снятия сигнала в, импульсе максимальна.

Лучше всего использовать линейный датчик на подложке в виде прямой линии, а не меандра. Если используется геометрия меандра резистивного элемента, то время, используемое в расчетной формуле 8 надо уменьшить до времени, когда температурные волны от полосок резистивного элемента в плоскости их расположения встретятся, а именно, когда температурная волна от полоски будет равна половине расстояния между полосками резистивного в виде меандра на подложке. Вместо надо брать в формуле 8 как возможное максимальное значение, при этом да таком датчике толщина защитною покрытия много меньше половины расстояния между полосками резистивного элемента δ<<1*. Рекомендуется брать малые импульсы по времени для любого типа датчика по геометрии резистивного поля (прямая и меандр) порядка Но даже в таком случае, длина температурного поля от резистивного элемента должна быть больше неоднородностей в биологической ткани в виде волос (диаметр δ*=0.15 мм) и диаметров желез, то есть минимальное рекомендуемое время разогрева слабым импульсом тока будет

По формуле 8 решаются по отдельности два уравнения с одной неизвестной величиной ε_МБО выбирается решение, которое соответствует условиям выше.

Биологическую ткань можно рассматривать не только как пластичное тело. Благодаря тому, что в биологических тканях большое содержание воды (порядка 70%). такие объекты исследования можно рассматривать в модельных задачах как жидкую среду, как это сделано в работе [D.S. Simankov, Problem of Brief Interaction of Liquid and Amorphous Bodies, J. Eng. Phys. Thermophys. 89 (1) (2016) 186-191, https://doi.org/10.1007/s10891-016-1366-z].

Альтернативным методом измерения тепловой активности биологической ткани ε_МБО является использование практически любого датчика на подложке - резистивный элемент в виде меандра, прямой линии или меандра с близкорасположенными полосками резистивного элемента в большом количестве на его поверхности (это датчик плоской симметрии температурного поля, часто используется в измерениях тепловой активности или при измерениях влажности). Датчик в эксперименте не греется импульсами тока, а находится под минимальным опорным напряжением, то есть по нему идет ток минимальный и это значение должно быть как можно меньше, что бы не было самонагрева датчика. В таком случае датчик не греется (выделяемое тепло дисипируется). Подключается к измерительному устройству и задается максимальная частота снятия сигнала с него. Испытуемый образец биологической ткани имеет температуру поверхности Т₀₁, которая известна и определяется, например, тепловизором. Со стороны подложки толщиной L* к датчику крепится (можно на тонкий слой клея) однородное твердое (пластичное) тело с известной тепловой активностью ε₃. Датчик с твердым (пластичным) телом охлаждают до температуры Т₀₂. Рекомендуется выбирать Т₀₂ в диапазоне [-20; 0]°С. Перед приложением к ровной поверхности биологической ткани включается фиксирование сопротивления датчика с максимальной частотой снятия сигнала (0,005с) в оперативную память устройства. Датчик прикладывается к пластичному телу плотно, что бы не было контактного сопротивления в виде прослойки воздушной. После плотного соприкосновения значения сопротивления датчика изменятся с одной постоянной величины на другую и так же будут постоянными по времени, но не бесконечно. Поэтому, время эксперимента ограничено 1 минутой. По этим вторым значениям сопротивления датчика определяется его температура в месте контакта Т_МБО(х=0,t) согласно его классу точности и далее применяется формула 14. Усложнение модели взаимодействия сделано по причине того, что сам датчик малого размера и его температура достаточно быстро меняется при контакте с окружающей средой и/или соприкасаемыми телами. Использование модели кратковременного взаимодействия двух твердых неизотермических тел сложно выполнить, а модель, когда одно из двух твердых тел имеет покрытие таким образом можно выполнить. Формула 14 описывает кратковременный контакт двух твердых (пластичных) тел, а биологические ткани содержат много воды. Поэтому, для определения температуры на поверхности биологической ткани в месте контакта с охлажденным датчиком на подложке с приклееным твердым (аморфным) телом к нему можно воспользоваться формулой 6, представив биологическую ткань как жидкую среду с коэффициентом теплоотдачи α=7 Вт/(м²К). Учет влагосодержания можно выполнить с помощью поправочных коэффициентов перед соответствующими формулами. Если кожа влажная, то перед определением температуры по формуле 14 ставится коэффициент k=0.4, а перед формулой 6-r=0.6. Если кожа сухая, то перед определением температуры по формуле 14 ставится коэффициент k=0.3, а перед формулой 6-r=0.7. Расчетная формула 13 применяется для расчета тепловой активности биологической ткани ε_МБО для диапазона температур 0-43°С.

Уравнение 18 с одной неизвестной решается численно и находится ε_МБО.

Зная тепловую активность биологической ткани ε_МБО и ее температуропроводность а_МБО можно по формуле 4 рассчитать значение теплопроводности биологической ткани λ_МБО, заменив значения коэффициентов подложки на значения коэффициентов биологической ткани.

Особенностью предлагаемого метода измерения значения теплопроводности пластичного материала λ_МБО является то, что это значение можно рассчитать из опыта не путем комбинирования полученных значений коэффициентов температуропроводности пластичного материала а_МБО и его тепловой активности ε_МБО, а в ходе опыта. Для этого датчик прикладывается на ровную поверхность пластичного тела и его разогревают импульсом тока I в течении времени . Расчет производится по формуле 11, в которой заменить ε_{жидкости} на ε_МБО, а_{жидкости} на а_МБО и на которая учитывает линейные размеры резистивного элемента разогреваемого током I. Рекомендуется брать максимальное время, близкое к но не превосходящее его. Предполагается, что биологический материал однородный, фазовых превращений не происходит (датчик не греем выше температуры в 45°С в течений 1 секунды, что бы не вызвать термический ожог), контактное сопротивление минимально. Минимизировать контактное сопротивление можно путем смазывания мест соприкосновения тонким слоем рафинированного подсолнечного масла. Наличие плохого контакта между датчиком и биологическим телом выявляется как грубая ошибка при обработке экспериментальных данных.

Расчетная формула 11 справедлива для плоского линейного датчика на подложке с покрытием с геометрией резистивного элемента в виде прямой линии. Если используется геометрия меандра резистивного элемента, то время, используемое в расчетной формуле 11 надо уменьшить до времени, когда температурные волны от полосок резистивного элемента в плоскости их расположения встретятся, а именно, когда температурная волна от полоски будет равна половине расстояния между полосками резистивного элемента, расположенного в виде меандра на подложке. Вместо надо брать в формуле 11. В таком случае может оказаться, что половина расстояния между полосками резистивного элемента 1* будет сопоставима с половиной ширины самой полоски резистивного элемента В. При 1*≈В (характерно для плоских датчиков на подложке у которых резистивный элемент расположен в виде меандра с очень близко расположенными полосками) температурное поле от датчика все еще будет плоским и его нельзя считать линейным и нельзя использовать формулу 11.

Повышение точности.

Для рассматриваемого иррегулярного теплового режима методом «горячей нити» с использованием линейных плоских датчиков на подложке с покрытием использовался импульсный кратковременный разогрев с регистрацией сопротивления измерительного датчика с заданной частотой во время его разогрева. Эксперимент можно выполнить за 1 импульс тока. Альтернативные метода измерения теплофизических величин не предполагали разогрев измерительного датчика, а необходимо было только фиксировать установившуюся температуру в месте контакта. В процессе расчетов по предложенным методам возникают такие источники ошибок и неопределенности конечного результата: 1) численные методы дают результат с определенной точностью; 2) используемые модельные задачи не все учитывают в реальной модели (например, собственная теплоемкость резистивного элемента, отток тепла с концов проводника); 3) дискретное значение времени снятия сигнала в импульсе не всегда совпадает с расчетным требуемым временем; 4) метрологические погрешности при оптическом определении линейных размеров датчика и резистивного элемента. Для того, что бы повысить метрологическую точность измерения и снизить неопределенность при расчете теплофизических значений коэффициентов предлагается брать среднее арифметическое значение результатов измеряемой величины, полученных указанным и альтернативным методами. Для не биологических тел применять ГОСТ Р 8.736-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения».

Для многократных измерений время следующего разогрева t_{датчика} должно быть выбрано из условия, что вся тепловая энергия рассеялась после импульса тока. Для этого надо датчик разогреть одним импульсом тока на воздухе. Это значит, что через время t_{датчика} датчик остынет и его температура резистивного элемента будет как в начале перед подачей импульса. Время t_{датчика} находится из формулы 19.

Для простоты и не прибегая к расчетам по формуле 19 можно принять, что время второго импульса тока равно порядка 500-1000 времен импульса разогрева датчика, в зависимости от мощности разогрева. В устройстве реализовано максимальное время в 700 раз больше времени импульса с шагом времени импульса.

Для оценки точности измерения площади резистивного элемента 2BL в виде меандра с конструкцией датчика с 1*≈L*, можно провести опыт, когда датчик разогревается импульсом тока в течении времени в воздухе (значение тепловой активности принимается равным нулю) и в жидкости с известной тепловой активностью ε_{жидкости}, при этом ток на датчике не будет превосходить максимальное значение по паспорту I_max, вызывающее самонагрев. Получится система уравнений по формулам 3 и 10, при этом в выражении для теплового потока для каждого измерения будет неизвестна только площадь резистивного элемента, поскольку напряжение питания задается в эксперименте и оно одинаково в этих опытах, а сопротивление датчика узнается из опыта - . Тогда, численно решая систему уравнений с двумя неизвестными величинами площади резистивного элемента 2BL и тепловой активности подложки датчика ε_{подложки}, можно определить их. Такой эксперимент так же можно отнести к альтернативному методу измерения (№3) тепловой активности подложки датчика ε_{подложки} и заодно узнать не оптическим методом площадь резистивного элемента 2BL, а теплофизическим опытом и расчетами. Обычно, ширину напыления 2В можно узнать у производителя датчиков.

Заявленный способ и реализующее его устройство (омметр) предназначены, главным образом, для быстрого определения и контроля значений тепловой активности, теплопроводности и температуропроводности для научных целей и для промышленного применения на производстве, а так же в прикладных медико-биологических исследованиях. В сравнении со способами аналогов, заявленный способ и устройство обеспечивают большую информативность из-за регистрации сопротивления датчика во время его разогревания прямоугольным импульсом тока, из-за учета линейных размеров датчика и резистивного элемента на нем, из-за учета наличия подложки и покрытия у измерительного датчика.

Источники информации.

1. Лыков, А.В. Теория теплопроводности/ А.В. Лыков - М.: Высшая школа, 1967. - 650 с.

2. Спирин Г.Г. Кратковременные измерения в стадии иррегулярного теплового режима и диагностика теплофизических свойств диэлектрических веществ и материалов на их основе: Дис. докт. техн. наук. М. ИВТАН. 1986. 390 с.

3. D.S. Simankov, Problem of Brief Interaction of Liquid and Amorphous Bodies, J. Eng. Phys. Thermophys. 89 (1) (2016) 186-191, https://doi.org/10.1007/s10891-016-1366-z.

4. Симанков Д.С. Влияние покрытия на формирование полей температур при кратковременном контакте двух полуограниченных неизотермических тел. //Электронный журнал «Современные проблемы, науки и образования». Выпуск №2, 2013. - Режим доступа: http://www.scicnce-education.ru/108-8621; DOI 10.6084/m9.figshare.14527197.

Изобретение относится к технике измерений теплофизических свойств материалов и может быть использовано для измерения теплопроводности и тепловой активности пластичных диэлектрических материалов, в том числе биологических тканей и жидкостей, включая органические жидкости. Нововведение заключается в быстром нагреве аморфного тела от резистивного элемента датчика термометра сопротивления во время импульса электрического тока в месте их контакта, регистрации сопротивления датчика в одном импульсе разогрева с заданной частотой снятия сигнала, передача результатов измерений на персональный компьютер для дальнейшей обработки - расчет значений температуры, теплопроводности и тепловой активности. Устройство содержит 5 каналов измерения сопротивления датчика термометра сопротивления, способных работать одновременно с разными заданными параметрами эксперимента. Для каждого канала измерений перед опытом можно установить напряжение, время импульса тока разогрева датчика, количество импульсов тока, интервал между импульсами тока, частоту снятия сигнала с датчика о его электрическом активном сопротивлении во время разогрева импульсом тока. Для работы устройства используется постоянное напряжение от блока питания. Ток на датчике имеет постоянное значение, скачкообразно изменяясь в начале и в конце импульса П-образным видом. Таким образом, при использовании плоских датчиков термометров сопротивления на подложке и одновременном использовании нескольких каналов измерения теплофизических свойств расширяется диапазон режимов измерения. Технический результат - повышение информативности измерений, сокращение времени проведения эксперимента. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для автоматического определения теплофизических свойств пластичных материалов, биологических тканей и жидкостей, включая органические жидкости, включающее соединители, фильтры низких частот, 24-разрядный АЦП, прецизионный источник опорного напряжения, микроконтроллер, прецизионный регулируемый линейный стабилизатор, цифровой потенциометр, импульсный преобразователь, набор резисторов и транзисторов, конденсаторов, сконфигурированных на плате с возможностью проводить одновременно измерения по пяти каналам и передавать результаты значений электрического сопротивления резистивного элемента термометров сопротивления из оперативной памяти устройства на персональный компьютер для их дальнейших расчетов, причем датчики подключаются к соединителю, входные выводы датчиков соединяются вместе и подключаются к питающему контакту отдельным проводником, с соединителя измеряемые электрические сопротивления подаются через фильтры низких частот, выполненные из резисторов и конденсаторов, на входы прецизионного 24-разрядного сигма-дельта АЦП, полученный в АЦП цифровой код, пропорциональный измеренному сопротивлению, передается через SPJ-интерфейс в микроконтроллер, который осуществляет вычисления для одновременного определения расчетным путем значений теплопроводности и тепловой активности, в том числе с учетом оттока тепла в подложку датчика и с учетом оксидного слоя на резистивном элементе датчика или покрытия резистивного элемента тонкой защитной пленкой, и передает их результаты в персональный компьютер по интерфейсу RS-232, при этом для каждого канала измерения по сигналу от микроконтроллера задают свои параметры работы в виде выбора постоянного значения подаваемого напряжения, времени импульса прямоугольной формы тока, разогревающего резистивный элемент датчика, скважности импульсов тока, и в каждом импульсе тока в каждом канале измерения с заданной частотой снимают показания сопротивления резистивного элемента термометров сопротивления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в расчетных формулах для теплопроводности и тепловой активности используются значения сопротивлений датчика в одном импульсе.