Датчик для определения коэффициента теплопроводности Советский патент 1993 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 лабораторных исследованиях и в условиях производства для определения различных параметров систем, например влажности по теплопроводности.

Цель изобретения - расширение класса исследуемых материалов и повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что датчик для определения коэффициента теплопроводности выполнен в виде блока с эталонным материалом, содержащего пластину

с пазами шириной д ( 5 1.01) и глубиной h 0,5 д. где I vQr - глубина проникновения теплового импульса длительностью т в слой воздуха температуропроводностью Q. а также диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами.

Согласно изобретению, блок выполнен составным в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонная съемная пластина выполнена с шероховатостью, идентичной шероховатости исследуемого материала, а несущая пластина выполнена с пазами и герметично закрепленными над ними диэлектрическими пленками, причем пазы соединены между собой и с внешней средой отверстиями. Через отверстия подкачивается воздух, который создает избыточное давление в пазах, что, в свою очередь, выгибает диэлектрические пленки, которые прижимаются к съемной эталонной пластине и исследуемому объекту, обеспечивая таким образом идентичность условий работы измерительного и компенсационного терморезисторов, что повышает точность измерений за счет улучшения условий ком00

о о

OJ

ел

ренсации терморезисторов при пропускании через них импульсов напряжения.

Кроме того, съемная эталонная пластина позволяет подбирать эталонный материал с наиболее близкой теплопроводностью- no сравнению с измеряемым образцом, расширяя таким образом номенклатуру изме- - ряемых материалов.

На фиг.1 представлен датчик: на фиг.2 изображена измерительная схема.

Датчик содержит корпус 1 из металла, стойкого против коррозии и абразивного трения, внутри которого размещен блок с эталонным материалом, выполненный в виде несущей пластины 2 и съемной эталонной пластины 3. В несущей пластине 2 по обе стороны выполнены пазы 4 и 5, которые защищены тонкими диэлектрическими пленками б и 7 с размещенными на них измерительным 8 и компенсационным 9 терморезисторами. Пазы 4 и 5 соединены между собой и с внешней средой отверстиями 10 и 11. Датчик подключается к измерительной схеме при помощи токоотводов 12. присоединенных к контактным площадкам коммутационных слоев 13 и 14.

Измерительная схема (фиг.2) содержит импульсный источник питания 15 и мост 16, в измерительную диагональ которого включен регистрирующий прибор 17. Мост 16 составлен из переменных декадных резисторов R-|18, Ra19, R420, сдвоенного резистора Рз - Рз 21 и двух терморезисторов датчика - измерительного R|22 и компенсационного Rk23.

Датчику изготавливают следующим образом. В несущей пластине, которая может быть выполнена из любого диэлектрического материала, изготавливаются пазы 4, 5 и отверстия 10, 11 (фиг.1), Отдельно изготавливаются диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами 9 и 8. Для этого на подложку (например, из кремния), растворимую в реактивах, не влияющих на диэлектрическую пленку, коммутационные слои и несущую пластину, наносится слой полиимидного лака толщиной 2-4 мкм, а затем слой резистивного материала, например никеля, и коммутационная структура 13 и 14, например хром- медь-никель. Методом селективной фотолитографии изготавливаются тонкопленочные терморезисторы из никеля с контактными площадками на основе структуры хром-медь-никель. Полученные структуры наклеиваются на несущую пластину над пазами, полностью их закрывая диэлектрической пленкой. После этого подложки растворяются в реактива х, травлением

вскрываются участки контактных площадок и к контактным площадкам присоединяются выводы 12 для контактирования с измерительной схемой.

Датчик работает следующим образом. При введении измерительного 8 и компенсационного 9 терморезисторов в контакт с исследуемым объектом и эталонным материалом 3 соответственно и подаче импульсов тока на мост 16 с импульсного источника 15 температура, а следовательно и сопротивления терморезисторов изменяются, и в измерительной диагонали моста возникает сигнал разбаланса в зависимости от разности теплопроводностей исследуемого объекта и эталонного материала, который регистрируется прибором 17, например электронным осциллографом.

Зависимость изменения температуры

от длительности теплового импульса для конфигурации терморезистора в виде круга выражается следующим образом:.

25 VT

2 q (Q Г)1/2

fr-Wl(D

где а - диаметр терморезистора;

Q -- - коэффициент температуроп сроводности;

А - коэффициент теплопроводности; р ,с - плотность и удельная теплоемкость вещества;

Ф(х) 1 -Ф(х); Ф (х) - табулированная функция ошибок,

Асимптомика выражения (1) для малых а

значений аргумента вид:

Ут

2VQ7

имеет простой

-тсо.

Условием применимости выражения (2) является многократное превышение глубины проникновения теплового импульса I vQr значения диаметра а терморезистора.

Выражение (2) не учитывает так называемого контактного теплового сопротивлеиия 1/OK , которое суммируется с определяемым тепловым сопротивлением 1 /« а/А. Выражение для тепловой проводимости контакта оь , имеет вид:

+«м Ос(Ас,П01. П02) +

+ о„(;СР/сгв)(3)

где Ас - коэффициент теплопроводности среды, заполняющей контактную зону;

AM

, Ai,A2 - коэффициенты

теплопроводности диэлектрической пленки и контактирующего с ней материала;

Р - контактное давление;

оь - предел прочности для более пластичного материала;

hoi, ho2 - параметры, характеризующие шероховатость диэлектрической пленки и контактирующего с ней материала.

Используемая диэлектрическая пленка в виде полиимидного лака фактически и определяет величину теплового сопротивления, являясь более пластичной и менее теплопроводной по сравнению с исследуемыми и эталонными материалами.

Таким образом, сигнал по напряжению, снимаемый с терморезистора

AU UaЦ Uа(V + VK) AU + A Uk,

определяется двумя составляющими - полезной Ли и мешающей AUk. Здесь а- термический коэффициент сопротивления терморезистора. При использовании компенсационного канала с сигналом Alh Alh + AUik разностное напряжение:

AU-AUk+ ALh+ AlHk

AUi-AU,

т.к. мешающие составляющие AUk и AUik взаимно компенсируются в силу идентичности контактных тепловых сопротивлений по данному решению. Порядок операций при определении теплопроводности сводится к осуществлению баланса моста при введе-. нии измерительного 8 и компенсационного 9 терморезисторов в тепловой контакт с двумя эталонными пластинами вещества с известной теплопроводностью. При этом сигнал на экране осциллографа 17 на всем протяжении импульса равен нулю. Затем вместо одной из пластин, тепловой контакт осуществляется с исследуемым материалом.

Результирующее напряжение при этом: AUЈ AUi-AU U .aqa(1/Ai-l/A)

Теплопроводность исследуемого материала определяется по формуле , Ai Uaq a

Uaqa-aiAUg.

5По сравнению с прототипом, в датчике повышение точности достигается за счет идентичности условий контактирования терморезисторов с измеряемым и эталонным образцами, а также за счет плотного 0 прилегания пленок с терморезистбрами к измеряемому и эталонному образцам, возникшего в результате выгибания пленок после образования в пазах датчика избыточного давления.

5 Расширение номенклатуры исследуемых материалов достигается за счет конст- . рукции датчика, позволяющей иметь набор эталонных образцов с различными коэффициентами теплопроводности и в процессе 0 измерения подбирать эталон с теплопро- водностьк наиболее близкой, к измеряемому объекту. Это обстоятельство снижает погрешность измерений, что также влияет на точность измерений. 5 Формула изобретения

Датчик для определения коэффициента

теплопроводности, выполненный в виде

блока с эталонным материалом, содер жащего пластину с пазами шириной

0 6 (0,4 cf 1,01) и глубиной h - 0,5 д , где I мЗг - глубина проникновения теплового импульса длительностью т в слой воздуха температуропроводностью Q, а

5 также диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью расширения класса исследуемых материалов и повышеQ ния точности измерения, блок выполнен составным в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонная пластина выполнена с шероховатостью, идентичной шероховатости исследуемого

5 материала, а несущая пластина выполнена с пазами, при этом диэлектрические пленки герметично .закреплены над ними, причем пазы соединены между собой и с внешней средой отверстиями.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля в лабораторных исследованиях и в условиях производства для определения различных параметров систем, например влажности по теплопроводности. Датчик выполнен в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонная пластина.изготовлена с шероховатостью, идентичной шероховатости исследуемого материала. Пазы, выполненные в несущей пластине, соединены между собой и с внешней средой отверстиями, через которые подкачивается воздух, создающий избыточное давление в пазах, выгибающее диэлектрические планки с терморезисторами. 2 ил.