Датчик для определения коэффициента теплопроводности Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к измерительной технике,- в частности к устройствам для определения теплопроводности веществ, и может быть использовано для оперативного контроля в 5 лабораторных исследованиях и в условиях Производства для определения различных параметров систем,напри | Miep влажности по теплоп1р6водности. .

Известно устройство для иэмере- 10 ння коэффициента теплопроводности, содержащее блок эталонного материала, на поверхности которого размещен линейный термррезистивный элемент, служапщй одновременно нагрева- 15 телем и термометром сопротивления. При измерении теш1опровод1}ости исследуемый материал приводят в плотный контакт с эталонным блокои, пропускают ток через терморезистор .20 и фиксируют его в цва момента времени, после чего рассчитывают величи- . пу теплопроводности по формулу

где ( теплопроводность эталона р i

Недостатком данного устройства является необходимость измерения целого ряда параметров (Т (, Tj, t, , tj и q), что усложняет процесс измерения и снижает его точность.

. Наиболее близким к предлагаемому является датчик для определения влажности тел по теплопроводности, содер 35 жащий блок с эталонным материалом внутри которого размещен компенсационный терморезистор, а на поверхности - измерительный терморезистор, защ1пценный диэлектрической пленкой (2j.;40

Недостатком известного датчика .чзляется невысокая разрешающая способность. Это связано с тем, что конструкция датчика предусматривает использование .единого (с точки зре- 5 ния неизменности теплофизических характеристик материала, контактирующего с измерительным.и компенсационным терморезисторами) блока эталонного материала, в котором тепло- 50 вой поток, вьщеляемый терморезисторами, распространяется на границах раздела двух пар сред: верхняя чисть эталонного блока - исследуемый материал (для измерительного термореэис-,55 тора) и верхняя нижняя части эта- . лонного блока (для компенсационного терморезистора). В таком датчике

часть тепла отводится в исследуемый материал и нижнюю часть эталонного блока, зондируя их и сравнивая их теплофизические свойства, а другая часть тепла бесполезно отводится в верхнюю часть эталонного блока, являющуюся общей подложкой для обоих терморезисторов. Это снижает разрешающую способность датчика.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности датчика и точности определения.,

Указ.чнная цель достигается тем, что в датчике для определения коэффициента теплопроводности, содержащем блок с эталонным материалом, выполненный в виде пластины, внутри которой размещен компенсационный терморезистор, а на поверхности измерительный терморезистор, защищенный диэлектрической пленкой, по обе стороны пластины выполнены пазы шириной ,4 Е 4 S ЬО С и глубиной h 0,5 S , где t - глубина проникновения теплового га пульса. длителностью ь в слой воздуха с температуропроводностью Q , при этом измерительный терморезистор расположен в оном из пазов на диэлектрической пленке, закреплённой на поверхности пластины, а компенсационный терморезистор - в другом пазу на диэлектрической пленке, закрепленной в осно вании паза.Соотношеййе размеров паза выбирается из условий отсутствия конвекции воздуха в паэу, прочности диэлектрической пленки, отсутствия тензоэффекта и соблюдения условия полупространства для тейпового фронта. Этим условиям,V как показывают эксперчменты, в наибольшей степени 1удовлетворяют пазы с шириной S и глубиной h выбиpaeмы ш из соотно- ;шений 0,4 t й S 6 1,0 |и h 0,5 ;где bj Q-fi - глубина проникновения фронта теплового импульса дпительночтью в слой воздуха, имеющего температуропроводность Q .

Если исследования проводятся при 20+5,0 С, то для конкретных расчетов размеров пазов завис1&юсть величины ,t {в миллиметрах) от длительности имцульса .С (в секундах) может быть представлена в более простом виде Йс; 4,б5-нГГ , где 4,65 - коэф фициент учитывающий тёгшофи ические свойства воздуха. Йижнйб пре3делы 0,4 В ширины и 0,2 глубины паза определяются необходимостью соблюдения таких условий, при которых для данной длительности импульса С не сказывается влияние стенок, ограничивающих паз, на теплофизичес кие свойства слоя воздуха в этом пазу.. Верхний предел 1,0 Z ширины и 0,5 t глубины выбирается из услов механической прочности пленки, отсутствия конвекции воздуха в пазу и отсутствия тензоэффекта. Для боль шнства используемых пленок (полимерных и стеклянных) толщиной 8-15 мкм ширина паза,,0 С в наибольшей степени удовлетворяют этим требованиям. С целью идентификации условий работы измерительного и .компенса ционного терморезисторов контакт их с исследуемым и эталонным материалами осуществляется через одинаковые (по толщине и теплофкзипеским параметрам) .диэлектрические пленки, что повышает точность измерения за счет улучшения услойий компенсации терморезисторов при пропускании че.рез них импульсов напряжения. I На фиг. 1 изображен датчик; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на ;фиг. 3 - измерительная схема. Датчик содержит корпус I из металла, стойкого против коррозии и абразивного трения, внутри которого размещен блок эталонного материала, выполненный в виде пластины 2, по обе стороны которой выполнены пазы 3 . идин из пазов например 3, за щищен тонкой (8-15 мкм) диэлектрической пленкой 5. В пазу 3 на пленке 5 размещен измерительный линейны терморезистор 6, являющийся рд1говре менко и нагревателем. Компенсационный терморезистор 7, аналогичный измерительному, размещен с противоположной стороны пластины 2 в осн-овании паза 4 на диэлектрической пле ке 8. .Паз 4 закрыт крьш1кой 9 корпу; са. Датчик подключается к измерител ;ной схеме при помощи токоотводов 10 I Измерительная схема (фиг. 2) содержит импульсный источник 11 пита.:шя и мост 12, в измерит ельную диаг наль которого включен регистриру:ющий прибор 13. Мост 12 составлен ;из переменных декадных резисторов , Rj 15, R4 16, сдвоенного ре414зистора Rj-R t7 и двух терморезисторов датчика - измерительного R|18 и компенсационного R 19. Терморезисторы могут быть изГотовлены, натфимер, из платиновой проволоки диаметром 8 мкм или образованы ме тодом напыления. Блок эталонного материала представляет со бой диск, н4пр1шёр, из оргстекла, ;толщина которого L выбирается: из условия -jr 1 где € - глубина .- .. - . .; 1 Проникновения теплового фронта в эталонный материал; Q - температуропроводность эталонно го материала; - длительность греющего имяульса. При этом слерует учитывать, эталонный, материал .под)5ирает :я таким образом, чтобы его теплопроводность была блйэкой к тёш1опрО1Водности исследуемого класса веществ. В этих условиях реализуется максимальная точность. Отметим, что применяемая в датчи-. ке диэлектрическая пленка (5 и 8) в данной конструкции является самостоятельным конструктивным элементом, в отличие от плёнки диэлектрического датчика, защищающего терморезисторы в известном датчике. За счет этого и изменяется способ изготовления датчика, предусматривакяций крепление измерительного терморезистора на поверхности пленки с последующим приклеиванием ее к поверхности эталонного блока. Компенсационный термррезистор также вначале крёш1тся к / диэлектрической пленке, в затем приклеивается к поверхности эталонного блока. Датчик работает следующим образом. : При введении измерительного терморезистора 18 в контакт с и::следуемым 1 веществом и подаче импульсов тока 12 с импульсного источника 11 сопротивления терморезисторов 18 и 19 изменяются и в измерительнойдиагонали моста 12 возникает сигнал разбаланса, в зависимости от теплопроводности среды, который регистрируется прибором 13, например электронным осциллографом. Порядок операций при определении . теплопроводности сводится к осуществлеиию.при данной температуре Т, например комнатной, вещества с наперед известной теплопроводностью flj, (Т) ПОЛНОГО баланса моста (при этом на экране осциллографа на всем протяжении импульса равен нулю) при одновременном измерении двух сопротивлений Ri2(T) и ), где Rj. Rj R,; R R,. Аналогичное измерение параметров Rjlg-.CT) и R,|(T) при полном балансе моста осуществляют при контакте изме рительного терморезистора с исследуемым веществом. Телопроводность исследуемого вещества (тУ определяет СЯ по формуле ((Tq)i)t RiSo foUV btTl 1( Кдо( где vX 60ЭЛ ( -теплопроводность -воздуха, при температуре Т и Т . Если исследуемым параметром являетсй влаж Юность, то оперативньй контроль влаж ности вещества сОх осуществляют, испбпьзуя тарировочную-з-ависимость Q X f ( TV.JC ) , которая предварительно строится по известной (полученной весовым методом) влажности контроли руемого вещества. .В датчике повьшгение разрешающей способности и точности определения достигается за счет малой теплопроводности воздушного промежутка в пазах, выбора оптимального соотношения размеров пазов и осуществления контакта терморезисторов с эталонным блоком и исследуемой средой через идентаг1ные диэлектрические пленки, что позволяет повысить эффективность применения датчика как в лабораторных исследованиях, так и в условиях, . ,производства, т.е. разрешающая способность датчика увеличена на 30%. . Датчик позволяет сократить время проведения .одного анализа до 2-3 мин повысить чувствительность измерений, уменьшить количество обслуживающего персонала и значительно сократить расход электроэнергии. Производительность труда при испрльзовании предлагаемого -.датчика увеличится примерно в,20 раз за счет сокращения времени на вьтолнение анализа и возможности использования предлагаемого изобретения для оперативного контрочя влагосодержания агломератньй fiacc в поточно-механизированных линиях при серийном и массовом производстве химических источников тока.

ДАТЧЖ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, содержащий блок с эталонным материалом, вы- полненный в виде пластины, внутри которой размещен компенсационный тер;морезистор, а на поверхности - измерительный терморезистор, защищенный диэлектрической пленкой, отличающийся тем, что, с целью повьшения его разрешающей способнос; ти и точности опредвлбния, по обе сто§оны пластины выполнены пазы ш финой 0,4$ S 4 1,0 f и глубиной h 0,5 S , где - глубина проникновения теплового импульса длительностью с- в слой воздуха температуропроводностью Q , при этом измерительный терморезистор расположен в одном из пазов на диэлектрической пленке, закрепленной на поверхности пластины, а компенсационный л терморезистор - в другом пазу на диэлектрической пленке, закрепленной в основании паза. ий NU О 4;: