Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

1 Изобретение относится к области измерения физических свойств веществ и может быть использовано для измерения теплопроводности твердых материалов и изделий. Известен прибор С J измерения теплопроводности полупроводниковых материалов и изделий методом стационарного теплового потока с тепловым экранами, состоящий из опорного флан ца, нагревательного элемента, создающего тепловой поток через испытуемы образец, защитного колпака, теплово экрана, теплоизоляционной эасьшки и отходящих от испытуемого образца и нагревательного элемента измерительн электроизолированных проводов, расположенных в пространстве между испы туемым образцом и тепловым экраном вблизи испытуемого образца. Недостатком известных приборов является то, что измерительные провода (термопары, токовые, потенциальные провода, используемые для подвода электрического tOKa к нагреватеяьному элементу и снятия падения напряжения на нем) не делаю витка вокруг измеряемого образца в плоскости крепления провода к образцу, что ухудшает точность измерений температуры из-за большого отвода тепла с головки термопары. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения теплопроводности твердых материалов С2 , содержащее опорный фланец с установленным на нем соосно тепловым экраном, на котором расположен защитный колпак со смонтированным на нем нагревателем, установленный на оси устройства нагревательный элемент, у нижнего торда которого во время измерений расположен с тепловым контактом образец, теплоизоляционную засыпку, заполняющую пространство между нагревательным элементом с образцом и тепловым экраном с защитным колпаком, и расположенные в ней измерительные провода, каждый из которых образует кольцевой виток в плоскости, перпендикулярной оси устройства и проходящей через точку крепления провода с нагревательным элементом или образцом. Причем измерительные провода расположены в части теплоизоляционной засыпки, примыкающей к нагревательному элемен ту и испытываемому образцу и находя72щейся внутри соосного с осью прибора цилиндра с радиусом, равным .ib, где Q - радиус ,образца (если он круглого сечения) или среднее расстояние от оси до боковой поверхности образца; b - радиус экрана. Таким образом, измерительные провода в пространстве между образцом и тепловым экраном расположены посередине или от середины ближе к образцу. Погрешность измерений на из вестной установке 8-50% в зависимости от теплопроводности изм ряемых материалов. Для материалов с .а./-0,2 Вт/м.К погрешность измерений составляет , а для материалов с эе./- 1 ,5 Вт/м.К . 8%. Недостатком прибора является сравнительно большая погрешность измереНИИ теплопроводности, обусловленная тем, что кольцевые витки измерительных проводов и соответственно, их отводы расположены в экранированном пространстве в непосредственной близости к испытуемому образцу и нагревательному элементу и в нефиксированном положении. По -измерительным проводам происходит отвод тепла; во-первых, по металлу проводов, во-вторых, по электроизоляции (керамическим бусам). Так как в качестве электроизоляции используются бусы из окиси бериллия, фарфора или алунда, имеющие по,сравнению теплоизоляционной засыпкой намного большую теплопроводность, и так как измерительных проводов и соответственно электроизоляционных бус достаточно большое количество (минимум 6 термопарных проводов, два токовых и по два потенциальных для питания нагревательного элемента и измерения падения напряжения на нем), то масса проводов и электроизоляции в экранированном пространстве оказывается достаточно большой. Тепло, проходящее в экранированном пространстве параллельно оси образца, отбирается частично от нагревательного элемента с образцом и проходит по части экранированного пространства, примыкающей к образцу с нагревательным элементом. Другая часть тепла 3 отбирается от защитного колпака (имеющего свой электрический нагрева тель) с тепловым экраном и проходит по той части теплоизоляционной засып ки, которая примыкает к защитному колпаку и тепловому экрану. Для определения теплового потока проходящего через образец, в величину тепловой мощности нагревательного элемента вводится поправка, равная тепловой мощности, проходящей от нагревательного элемента по засыпке вдоль образца, которая рассчитывается на основании знания теплопровод ности засыпки и геометрии измеритель ной головки. В случае когда измерительные термопары с электроизоляцией располагаются вблизи нагревательного элемента и испытуемого образца, заметно повышается эффективная теплопроводность засыпки, увеличивается отвод на засыпке тепла от нагревательного элемента и образца, что пов щает погрешность измерений. Можно рассчитать и ввести поправк на поток тепла по проводам, однако при этом оказывается большой norpetaность в определении этой поправки (так как используются измерительные провода сложной конфигурации, изоля ционные бусы образуют большую массу не образуют сплошную среду и т.д.). Целью изобретения является снижение погрешности измерений теплопрово ности. Для этого в устройстве для измерения теплопроводности твердых материалов, содержащем опорный фланец с установленным на нем соосно тепловым экраном, на котором расположен защит ный колпак с вмонтированным в него нагревателем, установленный на оси устройства нагревательньп элемент, у нижнего торца которого во время измерений расположен с теп, )вым контактом образец, теплоизоляционную засыпку, заполняющую пространство между нагревательным элементом с образцом и тепловым экраном с защитным колпаком и расположенные в ней измерительные провода, каждый из которых образует кольцевой виток в плоскости,перпендикулярной оси устройства и проходящий через точку крепления провода с нагревательным элементом или образцом, измерительные «провода закреплены на внутренней поверхности защитного колпака и теплового экрана. 874 На чертеже изображено устройство для измерения теплопроводности.. Оно состоит из опорного фланца 1, в котором имеются отверстия 2 для вьпсода измерительных проводов, испытуемого образца 3, термопар 4 для измерения температуры и перепада, отводы которых расположены кольцевыми витками на йнутренней поверхности теплового экрана 5, нагревательного элемента 6, созд..ющего поток тепла через образец, защитного колпака 7, снабженного нагревателем 8, препятствующ1тм утечке тепла с образца и нагревательного элемента 6 в окружающее пространство; груз 9 служит для прижатия нагревательного элемента 6 к образцу 3 для улучшение теплового контакта. Пространство между образцом 3 с нагревательным элементом 6 и тепловым экраном 5 с защитным клапаном 7 заполнено теплоизоляционной засыпкой 10 из размолотого пеношамотного кирпича. Работает устройство следующим образом. Нсгштуемый образец 3 с предварительно высверленньми в нем отверстиями устанавливают на фланце 1. В отверстия вставляют штифты, к которым привариваются термопары 4. Термопарные, токовые и потенциальные провода располагают кольцевыми витками (1-2 витка) диаметром, равным внутреннему диаметру теплового экрана и выводят через отверстия 2 в опорном фланце. Затем устанавливают тепловой экран 5. К образцу с помощью груза 9 прижимают нагревательный элемент 6. На тепловой экран опускают защитный колпак 7 с нагревателем 8. По окончании монтажа пространство между образцом с нагревательным элементом и тепловым экраном с защитным колпаком заполняют теплоизоляционной засыпкой 10. По измеренным значениям мощности нагревателя нагревательного элемента, с учетом известных значений теплопроводности теплоизоляционной засыпки, изоляции проводов, их массы, радиуса образца, экрана и т.д. судят о теплопроводности испытуемого твердого образца. Описанное расположение измерительых проводов 4 способствует тому, что тепловой поток, проходящий по ним, тбирается от защитного колпака 7 тегоювогоэкрана 5. Электроизоляция роводов и сами провода практически

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее опорный фланец с установленным на нем соосно тепловым экраном, на котором расположен защитный колпак с вмонтированным в него нагревателем, установленный по оси устройства нагревательнъй элемент, у нижнего торца которого во время измерений расположен с тепловым контактом образец, теплоизоляционную засыпку, заполняющую пространство между нагревательным элементом с образцом и тепловым экраном с защитным колпаком, и расположенные в ней измерительные провода, каждый из которых образует кольцевой виток в плоскости, перпендикулярной оси устройства и проходящей через точку крепления провода с нагревательным элементом или образцом, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений, измерительные провода закреплены на внутренней поверх- С; .ности защитного колпака и теплового экрана. iW 4 СХ, ... S