Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕО (ИХ

РЕСПУБЛИК (504 G 01 М 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

l1O ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, д "

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

» ф

9)

С:: (21) 3584534/24-25 (22) 27.04,83 (46) 30.08.85. Бюл. Н"- 32 (72) П.Н.Инглизян, Я.M.Øåâ÷åíêî и Т.Б.Шмакова (53) 536.62(088.8) (56) 1. Авторское. свидетельство СССР

Р 171866, кл. G 01 N 25/18, 1967.

2. Петров A.Â. Методики измерения теплопроводности полупроводников при высоких температурах, В сборнике

"Термоэлектрические свойства полупро-. водников". Из-во АН СССР, M., т. 1, с. 15, 1963 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее опорный фланец с установ ленным на нем соосно тепловым экраном, на котором расположен защитный колпак с вмонтированным в него наг„„Я0„„1143187 д ревателем, установленный по оси устройства нагревательный элемент, у нижнего торца которого во время измерений расположен с тепловым контактом образец, теплоизоляционную засыпку, заполняющую пространство между нагревательньм элементом с образцом и тепловым экрансм с защитным колпаком, и расположенные в ней измерительные провода, кажцый из которых образует кольцевой виток в плоскости, перпендикулярной оси устройства и проходящей через точку крепления провода с нагревательным элементом или образцом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений, измерительные провода закреплены на внутренней поверхности защитного колпака и теплового экрана.

1143187 является то, что измерительные провода (термопары, токовые, потенциальные провода, используемые для поднода электрического тока к нагревательному элементу и снятия падения напряжения на нем) не делают витка вокруг измеряемого образца в плоскости крепления провода к образцу, что ухудшает точность измерений температуры из-за большого отвода тепла с головки термопары.

30

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения теплопроводности твердых материалов 35

1 ? j, содержащее опорный фланец с установленным на нем соосно тепловым экраном, ня котором расположен за— щитный колпак со смонтированным на нем нагревателем, установленный ня 40 оси устройства нагревательный элемент, у нижнего торца которого во время измерений расположен с тепловым контактом образец, теплоизоляционную засыпку, заполняющую прост- 45 ранство между нагревательным элементом с образцом и тепловым экраном с защитным колпаком, и расположенные в ней измерительные провода, каждый из которых образует кольцевой ниток 50 в плоскости, перпендикулярной оси устройства и проходящей через точку крепления провода с нагревательным элементом или образцом. Причем измерительные провода расположены в 55 части теплоизоляционной засыпки, примыкающей к нагревательному элементу и испытываемому образцу и находяИзобретение относится к области измерения физических свойств веществ и может быть использовано для измерения теплопроводности твердых материалов и изделий. 5

Известен прибор 1 для измерения теплопроводности полупроводниковых материалов и изделий методом стационарного теплового потока с тепловымы

I экранами, состоящий из опорного флан-10 ца, нагревательного элемента, создающего тепловой поток через испытуемый образец, защитного колпака, теплового экрана, теплоизоляционной засыпки и отходящих от испытуемого образца и 15 нагревательного элемента измерительных электроизолированных проводов, расположенных в пространстве между испытуемым образцом и тепловым экраном вблизи испытуемого образца. 20

Недостатком известных приборов щейся внутри соосного с осью прибора цилиндра с радиусом, равным

1 где Й вЂ” радиус образца (если он круглого сечения) или среднее расстояние от оси до боковой поверхности образца; b — радиус экрана, Таким образом, измерительные провода н пространстве между образцом и тепловым экраном расположены посередине или от середины ближе к образцу.

Погрешность измерений ня известной установке 8-50Х в зависимости от теплопроводности изм ряемых материалов. Для материалов с .Х - 0,2 Вт/м.К погрешность измерений составляет

"ЗОХ, я для материалов с

g, 1,5 Вт/м.К - 87.

Недостатком прибора является сравнительно большая погрешность измерений теллопронодности, обусловленная тем, что кольцевые витки измерительных проводов и соответственно их отводы расположены в экранированном пространстве и непосредственной близости к испытуемому образцу и нагревательному элементу и в нефиксированном положении. По .измерительным проводам происходит отвод тепла; но-первых, по металлу проводов, но-вторых, по электроизоляции (керамическим бусам). Так как в качестве электроизоляции используются бусы из окиси бериллия, фарфора или алунда, имеющие го,сравнению теплоизоляционной засыпкой намного большую теплопроводность, и так как .змерительных проводов и соответственно электроизоляционных бус достаточно большое количество (минимум 6 термопарных проводов, два токовых и по дня потенциальных для питания нагревательного элемента и измерения падения напряжения на нем), то масса проводов и электроизоляции в экранированном пространстве оказывается достаточно большой. Тепло, проходящее н экранированном пространстве параллельно оси образца, отбирается частично от нагревательного элемента с образцом и проходит по части экранированного пространства, примыкающей к образцу с нагреватель ным элементом, Другая часть тепла

1143

3 отбирается от защитного колпака (имеющего свой электрический нагреватель) с тепловым экраном и проходит по той части теплоизоляционной засыпки, которая примыкает к защитному

5 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 теплопроводности засыпки и геометрии измеритель15 ной головки. В случае когда измерительные термопары с электроизоляцией располагаются вблизи нагревательного элемента и испытуемого образца, заметно повышается эффективная тепло20 проводность засыпки, увеличивается отвод на засыпке тепла от нагревательного элемента и образца, что повышает погрешность измерений.

Можно рассчитать и ввести поправку

25 на поток тепла ло проводам, однако при этом оказывается большой погрейность в определении этой поправки (так как используются измерительные провода сложной конфигурации, изоляционные бусы образуют большую массу, не образуют сплошную среду и т.д.).

Целью изобретения является снижение погрешности измерений теплопроводности, Для этого в устройстве для изме- 35 рения теплопроводности твердых материалов, содержащем опорный флянец с установленным на нем соосно тепловым экраном, на котором расположен защитный колпак с вмонтированным в него 40 нагревателем, установленный на оси устройства нагревательный элемент, у нижнего торца которого во время измерений расположен с теп. вым контактом образец, теплоизоляционную 45 засыпку, заполняющую пространство между нагревательным элементом с образцом и тепловым экраном с защитным колпаком и расположенные в ней измерительные провода, каждый из 50 которых образует кольцевой виток в плоскости, перпендикулярной оси устройства и проходящий через точку крепления провода с нагревательным элементом или образцом, измеритель- 55 ные провода закреплены на внутренней поверхности защитного колпака и теплового экрана.

187 4

На чертеже изображено устройство для измерения теплопроводности..

Оно состоит из опорного фланца 1, в котором имеются отверстия 2 для выхода измерительных проводов, испытуемого образца 3, термопар 4 для измерения температуры и перепада, отводы которых расположены кольцевыми нитками на внутренней поверхности теплового экрана 5, нагревательного элемента 6, созд,.ющего поток тепла через образец, защитного колпака 7, снабженного нагревателем

8, препятствующим утечке тепла с образца и нагревательного элемента 6 в окружающее пространство; груз 9 служит для прижатия нагревательного элемента 6 к образцу 3 для улучшения теплового контакта. Пространство между образцом 3 с нагревательным элементом б и тепловым экраном 5 с защитным клапаном 7 заполнено теплоизоляционной засыпкой 10 из размолотого пеношамотного кирпича.

Работает устройство следующим образом.

Испытуемый образец 3 с предварительно высверленными в нем отверстиями устанавливают на Аланце 1. В отверстия вставляют штифты, к которым привариваются термопары 4. Термопярные, токовые и потенциальные проводя 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 грузя 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 теплоизоляционпой засыпки, .изоляции проводов, их массы, радиуса образца, экрана и т.д. судят о теплопроводности испытуемого твердого образца.

Описанное расположение измерительных проводов 4 способствует тому, что тепловой лоток, проходящий по ним, отбирается от защитного колпака 7 и теглового экрана 5. Электроизоляция проводов и сами провода практически

1143187 с

Корректор С, Шекмар

Редактор О. Юркова Техред Ж.Кастелевич

Заказ 5773/4 Тираж 897 Подписное

ВНГИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 не изменяют величины теплопроводности той части засыпки, которая примыкает

I к образцу 3 и нагревательному "ле- ф менту 6. Все это уменьшает отвод тепла от нагревательного элемента и образца по теплоизоляционной засыпке вдоль испытуемого образца и позволяет более точно по сравнению с прототипом определить поправку.

Для оценки погрешности измерений проведены испытания на известной и предлагаемой установках. Если в известной установке тепловой поток по проводам отбирается от нагревательного элемента, по измеряемой электрической мощности которого и рассчитывается коэффициент теплопроводности, то в данном устройстве этот тепловой поток отбирается от защитного колпака со своим автономным нагревателем.

При использовании предлагаемого устройства для измерения теплопроводности существенно снижается систематическая погрешность, связанная с расположением измерительных проводов в приборе вблизи испытуемого образца. Снижается также и статистическая погрешность по сравнению с изме16 рениями на известном приборе, так как в последнем нет строго фиксированного расположения измерительных проводов и они располагаются при каждом измерении по-разному вблизи образца.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить погрешность измерений теплопроводности с

8,97. и 5,27. до 2,87. и 3,97 для плав20 ленного кварца и оргстекла соответ