Способ измерения теплопроводности и устройство для его осуществления Советский патент 1978 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области теплофизического приборостроения и может быть использовано при измерении теплопроводности металлов, полупроводников и диэлектриков. Известны различные способы измерения теплопроводности, например спо соб монотонного разогрева ij . О теплопроводности образца в этом случае судят по времени, которое необходимо для изменения температуры этгшонного тела на определенную величину при известном перепаде температур. При этом энергия для изменения температуры эталонного тела поступает через исследуемый образец. Ясно, что чем боль ше теплопроводность образца, тем мень ше времени потребуется для изменения температуры тела на известную величину и наоборот. Недостаток описанного способа - небольшая точность измерения. Ближайишм техническим решением к предложенному является способ измерения теплопроводности 2 , заключающийся в измерении подводимой мощности широтно-модулированных импульсов нагр ва при известном перепаде температур на образце. Величину теплопроводности Л определяют по формуле: где К - коэффициент, учитываквдий размеры образца. Недостаток указанного способа - необходимость измерения трех величин: тока нагревателя, напряжения нагревателя (для определения мощности теплового потока) и перепада температур. Процессы измерения и вычисления сопряжены с ошибками, снижающими точность измерения. Кроме того, для реализаций способа .требуется-много времени, так как стационарное состояние наступает после длительного подготовительного периода. Цель изобретения - повышение тучности измерения. Указанная цель достигается тем, что измеряют д.пительность широтно-модулированных импульсов нагрева, зддерживают включение счетчика времени относительно фронта указанных импульсов на время, пропорциональное тепловому потоку, прошедшему помимо образца,, и по измеренной длительности импульсов определяют теплопроводность. При измерении теплопроводности пре ложенным способом необходимо определять только мацность нагревателя/ так как К. и лТ -постоянные величины для данной установки. Из выражения (1) следует, что в этом случае теплопроводность образца прямо пропорциональна мощности нагревателя Q при отсутствии теплообмена между нагревателем и окружающей сргдой помимо образца. Для соблюдения этого условия температура нагревателя должна быть равна температуре окружающей среды. Нагреватель выполняют из стабильных материалов , и, поддерживая постоянной ампли туду тока нагревателя, величину подводимой мощности измеряют по длительности широтно-мс.дулированнызс импульсо нагрева. Практически добиться равенст ва темперс1тур нагревателя и окружающей среды с необходимой точностью не удается из-за колебаний температуры окружающей среды, стабилизация которой - техническая проблема. Очевидно, часть мощности нагревателя пройдет мимо образца и измерение будет выпол нено с ошибкой, если не вводить поправку на мощность Q . Из сказанного ясно, что необходимо измерять не всю длительность широтно-модулированных и пульсов нагрева, а только ту их часть которая пропорциональна мощности нагревателя, прошедшей через образец. Для этого необходимо счетчик времени измеряющий длительность импульсов, включить позднее фронта широтно-модуя рованных импульсов нагрева на время, пропорциональное мощности Q , а выклю чить вместе с окончанием этого импульса. Способ состоит из следующих операций. Исследуемый образец помещают между нагревателем и теплостоком. Создают известный перепад температур на образце, измеряют длительность широтиомодулированных импульсов нагрева, задерживая включение счетчика времени относительно фронта указанных импульсов на время, пропорциональное тепло вому потоку, прошедшему помимо иссле дуемого образца. По измеренному знач нию длительности определяют величину теплопроводности. Можно подобрать такие значения перепала температур и периода следования широтно-модулированных импут ьсов, что показание счетчика времени будет соответствовать величине тепло проводности. Это значительно упрощае создание автоматических измерительных систем для комплексного определения теплоФизических характеристик образцов . Известное устройство для осуществ ния способа включает блок импульсног нагревателя с установленными тепломе рами, регулятор температуры и измери тель длительности импульсов. Устройство работает следующим образом. На нагревателе выделяется тепловой поток (определяеГ1ый напряжением и током нагревателя), который проходит через исследуемый образец в теплосток, создавая на образце перепад температур дТ. Регулятор охранного нагревателя отрабатывает такое напряжение на охраннЪм нагревателе, при котором датчик нулевого теплового потока, расположенный между нагревателями, регистрирует нулевой тепловой поток, В этом случае вся .мощность нагревателя, определяемая значениями напряжения и тока, проходит через образец в теплосток, и теплообмен нагревателя с окружакядей средой отсутствует. Очевидно, измерив значения напряжения и тока нагревателя и перепад температур, можно по формуле (1) найти величину теплопроводности. Недостатки устройства: сложность конструкции (наличие охранного нагревателя и измерителя перепада температур); длительность измерения; необходимость- измерения трех величин ; тока, напряжения, перепада температур;необходимости вычисления полного результата по формуле (1). В предложенном устройстве в измеритель длительности импульсов включено устройство задержки, управляемое сигналами тепломеров. На фиг. 1 показана структурная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - широтно-модулированные импульсы нагрева. Устройство для измерения теплопроводности (см. фиг. 1) состоит из блока нагревателя 1 с установленным на нем тепломером 2, активного теплостока 3 (термобатареи), между которыми помещается образец 4, датчика 5 температуры теплоетока, датчика б температуры нагревателя, регулятора 7 температуры, управляемого датчиками 5, б, поддерживающего постоянный перепад температур между нагревателем и теплостоком и обеспечивающим температуру блока нагревателя близкой к температуре окружающей среды; счетчика времени 8, измеряющего длительность Импульсов нагрева, устройства 9 задержки, управляемого сигналами тепломера 2. Спустя некоторое время после установки образца 4 наступает стационарное состояние, при котором тепловой поток через образец не зависит от времени. Предполагается, что изменение температуры окружающей среды за время измерения незначительно. Время измерения составляет несколько минут. Регулятор 7 температуры, поддерживая постоянный перепад темпера-