Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов Советский патент 1980 года по МПК G01N25/18 

Предлагаемое устройство относится к области определения теппофизических кон стант, а более конкретно оно предназначено для измерения теплопроводности твердых материалов, как электропроводных, так и неэлектропроводных, Известны устройства для определения теплопроводности различных материалов, включающие обычно источник тепла, обра цы исследуемых материалов, холодильники (приемники тепловых потоков) и различные измерительные средства , Однако эти устройства обладают рядом существенных недостатков. Они являются обычно весьма сложными, требуют больших затрат времени, применимы для узко го круга материалов и не обеспечивает высокой точности измерений, так как окончательный результат получают косвенным методом на основе большого числа прямых измерений. Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения теплопроводности неэлектропроводных материалов стандартным методом двух пластин 23 . Оно имеет плоский специальной конструкции эпектричэский нагреватель, зажатый межщ двумя пластинами из испытуемого материала и холодильниками, . Разность температур между поверхностями пластин измеряется термопарами. Одновременно измеряется и количество тепла, подводимого к нагревателю. Коэффициент теплопроводности рассчитывается по результатам всех этих измерений с учетом размеров пластин. Недостатками такого устройства является слоншость, большая длительность и невысокая точность измерений, а также возможность применения для измерения теплопроводности только неэлектропроводных материалов. Сложность обусловлена наличием специального нагревателя, холодильников и сложной измерительной схемы для контроля нескольких величин. Невысокая точность об7эясняется тем, что теплопрозодность определяется косвенным методом, а на результаты прямых изме- 374 рений существеьгаое влияние оказывает точность приборов, утечка тепла и температура окружающей среды. Возможность применения устройства для испытания только неэлектропроводных материалов обусловлена тем, что нагреватель, помешенный между образцами, выполнен из неизолированных проводников. Цель изобретения - упрощение устройства, повышение точности и расширение области применения устройства для испытания любых твердых материалов. Поставленная цель достигается тем, чт в устройство, содержащее электрический нагреватель, состоящий из нагревательной спирали и окружающего ее тела, выполнен ного из терморезистивного материала, -покрытого электроизоляционной пленкой, а для включения в измерительную цель на два противоположных торца тела, являющегося терморезистивньпи элементом, методом напыления нанесены металлические электроды.. На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - основа ние на фиг. 3-нагреватгель, общий вид; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема. Устройство состоит из нагревателя 1 и двух тонких металлических пластин 2. Между пластинами при измерениях помещаются крышка 3 и основание 4, изготовленные из исп.ытуемого материала и имеющие стандартные размеры. В центре основания выполнено гнездо для нагревателя, который со всех сторон оказывается окруженным испытуемым материалом. Нагреватель состоит из спирал 5, которая спрессована телом 6, изготовленным из терморезистивного материала, например, смеси окислов марганца, меди и кобальта. Эти окислы являются полупро водниками, имеют достаточно высокое удельное сопротивление и большой температурный коэффициент сопротивления. Изменение температуры на один граду вызывает изменение сопротивления на 48%. На два противоположных торца тела нагревателя нанесены электроды 7, к которым припаяны выводы 8 для включения в измерительную цепь. Таким образом, те ло нагревателя, окружающее спираль, вме сте с электродами превращается в терморезистор, являющийся чувствительным .эле ментом устройства. В основании 4 выполнены четыре канавки 9, в которых размещаются выводы 8 терморезистора и выводы 10 спирали. помощью которых она подключается к сточнику питания. Измерительная цепь с ерморезистором и цепь источника питания о спиралью электрически разделены, потому перетекания тока между этими цеями в нагревателе не будет. Снаружи агреватель покрыт электроизоляционной лешсой, например, эпоксидного или кремийорганического лака. Этим обеспечиватся применение устройства для испытания любых твердых материалов, и не только электроизоляционных. На крышку 3 и основание 4 снаружи накладываются для крепления две тонкие металлические пластины 2, которые сжимаются специальным зажимом. Все устройство размещается в термостате, где поддерживается постоянная температура и осуществляется интенсивное перемешивание воздуха. В установивщемся режиме работы сколько тепла выделится в нагревателе 1, столько и будет отведено в термостат через основание 4 и крышку 3, изготовленные из испытуемого материала. Известно, что теплопроводность материалов определяется выражением: grradt - поверхностная плотность теплового ка; prroidi температурный градиент в образце; - температура внутренней поверхности образца, равная температуре нагревателя; t - температура наружной поверхности образца и металлических пластин; р. - толщина крышки и основания. Используя эти соотнощения, можно определить разность температур между поверхностями образца: V4 При стандартных размерах S и В образца, постоянной мощности нагревателя или, что то же самое, при постоянном тепловом потоке ф эта разность температур будет зависеть только от теплопроводности образца. Интенсивным перемешиванием воздуха в термостате можно обеспечить постоянную температуру { .Поэтому температура -(;. и температура терморезистора (тепа нагревателя), а следовательно,и его сопротивление будет зависеть только от теплопроводности испытуемого материала. Таким образом, включив в измерительную цепь терморезистор и электроизмерительный прибор, например, омметр или миллиамперметр, шкалу его можно проградуировать непосре ственно в единицах теплопроводности. Использование нового элемента, сочета щего в себе нагреватель и терморезистор выгодно отличает предлагаемое устройство от указанного прототипа. Так, отсутствие термопар и холодильников значительно упрощает его. Заметно повышается точность и-упрощается получение окончательного результата, так как при использовании попупроводниковых резисторов, являющихся, как известно, высокочувствительными эле ментами, измерения температуры даже на несколько градусов приводит к изменению их сопротивления на десятки процентов, что легко и с высокой точностью регистрируется приборами; при этом шкала приборов может быть отградуирована непосредственно в единицах теплопроводности. В то же время, в отличие от прототипа, предлагаемое устройство может быть использовано для измерения теплопроводности любых твердых материалов, а не толыко электроизоляционных, так как изоляци- онное покрытие наг ревателя :исключает перетекание тока, например, по проводящему образцу. формула изобрете ния Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов, содержащее электрический нагреватель, зажатый между двумя пластинами - холодильниками, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции, повышения точности измерений и расширения его функциональных возможностей, электрический нагреватель выполнен прямоугольным и состоит из нагревательной спирали и окружающего его тела из терморезистивного материала, покрытого электроизоляционной пленкой, а на два противоположных торца тела, являющегося термочувствительным элементом, методом напыления нанесены металп1«еские электроды. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № ЗО5397, кл. G О1 N 25/18, 1967. 2.Авторское свидетельство СССР N 5О4965, кл. Q 01 N 25/18, 1972.

фиг.Ъ