Датчик для определения коэффициента теплопроводности

 

ДАТЧЖ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, содержащий блок с эталонным материалом, выполненный 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 св 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;:

СОЮЗ СОЕЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

f ((И ((!) 4(5I) G О! 1Я 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

;(21) ф46105/24-25 (22) 28.07.83 (46) 07.03.85. Бюл. Ф 9 (72) С.А, Дроздов и С.Д. Соломонов (71) Всесоюзный ордена Трудового

:Красного Знамени научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт источников тока (53) 536. 6 (.088. 8) (56) !., Патент Франции У 2212043,, кл. С 01 N 25/18, опублик. 1973.

2. Авторское свидетельство СССР (! 1004842, кл. G 01 !! 25/18, 1981 (прототип). (54)(57) ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, содержащий блок с эталонным материалом, выполненный в виде пластины, внутри

I которой размещен компенсационный тер". морезистор, а на поверхности — измерительный терморезистор, защищенный диэлектрической пленкой, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения его разрешаюцей способнос. ти и точности определения, по обе стооны пластины выполнены пазы шириной

* 0,4 < 6" «< 1,0 и глубиной

h = 0,5 В", где 9 = 4Q - глубина проникновения теплового импульса длительностью в слой воздуха температуропроводностью Я, при этом измерительный терморезистор расположен в одном из пазов.на диэлектрической пленке, закрепленной на поверхности пластины, а компенсационный терморезистор — в другом пазу на диэлектрической пленке, закрепленной в основании паза.

1144041

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения теплопроводности веществ, и может быть использо, вано для оперативного контроля в лабораторных исследованиях и в условиях производства для определения различных параметров систем, напри- мер влажности чо теплогроводности.

Известно устройство для иэмере- 10 ния коэффициента теплопроводности, содержащее блок эталонного матери« ала, на поверхности которого размещен линейный терморезистивный элемент, служащий одновременно нагрева- 33 телем и термометром сопротивления. .При измерении теплопроводцости исследуемый материал приводят в плотный контакт с эталонным блоком, пропускают ток через терморезистор . ) и фиксируют его и два момента времени, после чего рассчитывают величи ну теплопроводности по формуле г5

" ЫР,-Ч "4 1 где 3) - теплопроводность эталона (1)!

Недостатком данного устройства является необходимость измерения целого ряда параметров (Т<, Т,,,, ®

1: и q), что усложняет процесс измерения и снижает его точность.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик для определения влажности тел по теплопроводности, содер35 жащий блок с эталонным материалом, внутри которого размещен компенсационный терморезистор, а на поверх" ности — измерительный терморезистор ееееееенеый кнекектрнееской пленкой (2) 41

Недостатком известного датчика

:;.ç=ëÿåòñÿ невысокая разрешаеющая: спо- собность. Это связано с тем, что конструкция датчика предусматривает использование .единого (с точки зрения неизменности теплофизических характеристик материала, контактирующего. с измерительным.и компенсационным терморезисторами) блока эталонного материала, в котором тепло- 50 вой поток, выделяемый терморезисторами, распространяется на границах раздела двух пар сред: верхняя часть эталонного блока - исследуежай мате риал (для измерительного термореэис- $$ тора) и верхняя - нижняя части эталонного блока (для компенсационного

1 терморезнстора). В таком датчике

t 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.

Указанная цель достигается тем, что в датчике для определения коэффициента теплопроводности, содержащем блок с эталонным материалом, выполненный в виде пластины, внутри которой .размещен компенсационный термореэистор, а на поверхностиизмерительный терморезистор, защищенньФ диэлектрической пленкой, по обе стороны пластины выполнены пазы шириной S 00,4 Р ф 8 4 1,0 Р и глубиной Ь = 0,5 3", где 3 - глубина проникновения теплового импульса длительностью а в слой воздуха с температуи ропроводностью Я, при этом измери-. тельный терморезистор расположен в одном из пазов на диэлектрической пленке, закрепленной на поверхности пластины, а компенсационный терморезистор - в другом назу на диэлектрической пленке, закрепленной s осно вании паза.

Соотношение размеров пзза выбирается из условий отсутствия конвекции воздуха в.пазу, прочности диэлектрической пленки, отсутствия тенэоэффекта и соблюдения условия полупростраиства для теплового фронта. Этим условиям,;, как показывают эксперименты, в наибольшей степени

1 ,удовлетворяют пазы с шириной 3» и

;глубиной h> выбираемыми иэ соотно-;шений 0,4 « 6" 6 1,0 k..и h =0,53 где М =ЯЯТ " глубина проникнове:ния фронта теплового импульса длительностью C s слой воздуха, имеющего температуропроводность Q

Если исследования проводятся при

20+5,0 С, то .для конкретных расче.тов размеров пазов зависимость величины, (в миллиметрах) от длительности импульса,1; (в секундах) может быть представлена в более простом ниде g""..- - 4,654Т, где 4,65. - коэффициент, учитывающий теплофиэичес- кие свойства воздуха. Йижние пре3 114 делы 0,4 К ширины и 0,2 глубины паза определяются необходимостью соблюдения таких условий, при которых для данной длительности импульса не сказывается влияние. стенок, ограничивающих паз, на теплофизические свойства слоя воздуха в этом пазу.

Верхний предел 1,0 0 ширины и

0,5 К глубины выбирается из условий 1б механической прочности пленки, от.сутствия конвекции воздуха в пазу и отсутствия тензоэффекта..Для боль- нства используемых пленок (поли-мерных и стеклянных) толщиной 8-i5 мкм, 1 ширина паза,3 "(1,0 Р в наибольшей

;степени удовлетворяют этим требова-. ниям.

С целью идентификации условий работы измерительного и компенсационного терморезисторов контакт. их с исследуемым и эталонным материалами осуществляется через одинаковые (по толщине и теплофнзическим параметрам) .диэлектрические пленки, что повышает точность измерения за . счет улучшения условий компенсации терморезисторов при пропускании через них импульсов напряжения.

На фиг. 1 изображен датчик; на 30 фиг. 2 = pasques А-А на фиг. 1; на . фиг. 3 - измерительная схема.

Датчик содержит корпус 1 из металла, стойкого против коррозии и абразивного трения, внутрй которого размещен блок эталонного материала, ЗЗ выполненный в виде пластины 2, по обе стороны которой выполнены пазы

3 и 4. Один из пазов например 3, за-, щищен тонкой (8-15 мкм) диэлектри40 ческой пленкой 5. В пазу 3 на пленке 5 размещен измерительный линейный терморезистор б, являющийся рдновременно и нагревателем. Компенсационный терморезистор 7, аналогичный измерительному, размещен с противоположной стороны пластины 2 в осковании паза 4 на диэлектрической пленке 8. Паэ 4 закрыт крышкой 9 корпу.са. Датчик подключается к измеритель-. .ной схеме при помощи токоотводов 10.

4041 4

Измерительная схема (фиг. 2) со.держит импульсный источник 11 пита,ния и мост 12, в измерительную диаго наль которого включен регистриру- H .ющий прибор 13. Мост 12 составлен, из переменных декадных резисторов

R4 14, К 15, R 16, сдвоенного резистора К,-R1 17 и двух терморезис.торов датчика — измерительного R„ 18 и компенсационного R 19.

Терморезисторы могут быть изготовлены, например, из платиновой проволоки диаметром 8 мкм или образованы методом нанцления. Блок эталонного материала представляет с . .бой диск, например, из оргстекла, толщина которого L выбирается.из ус L ловия у1, где 4 =. Д7 - глубин а е проникновения теплового фронта в эталонный материал;.Q - -температуропроводность эталонного материала; — длительность греющего импульса.

При этом следует учитывать, что эта-. лонный,материал .подбирает я таким образом, чтобй его теплопроводность была близкой к теппопроводности исследуемого. класса веществ.. В этих условиях реализуется максимальная точность.

Отметим, что применяемая в датчи-. ке диэлектрическая пленка (5.и 8) в данной конструкции является само- стоятельным конструктивным элементом, в отличие от пленки диэлектрического датчика, защищающего терморезисторы в известном датчике. За счет этого и изменяется способ изготовления датчика, предусматривающий крепление измерительного терморезистора на поверхности пленки с последующим приклеиванием ее к поверхности эталонного блока. Компенсационный терморезистор также вначале крепится к I. диэлектрической пленке, в затем приклеивается к поверхности эталонного блока.

Датчик работает следующим образом.

При введении измерительного терморезистора 18 в контакт с и следуемым, ю веществом и подаче импульсов тока на мост 12 с импульсного источника 1 :1 сойротивления терморезисторов 18 и.

19 изменяются и в измерительной диагонали моста 12 возникает сигнал разбаланса, в зависимости от теплопроводности среды, который регистрируется прибором 13, например электронным осциллографом.

Порядок операций при определении теплопроводности сводится к осуществлению,при данной температуре Т, 1 например комнатной, вещества с наперед известной теплопровадностьюЯ (1Д, полного баланса моста (при этом сиг1144041, нал на экране осциллограФа на всем

I протяжении импульса равен нулю) при одновременном измерении двух сопротивлений R (Т ) и К1.(Т ), где К

Аналогичное измерение параметров

К {Т) и R „(T) при полном балансе к моста осуществляют при контакте изме" рительного терморезистора с исследуемым .веществом. Телопроводность исследуемого вещества q,:(Т) определяетФ ,ся по формуле

>„p)=(p,(т,1+ „,„p,)l x

Ю ", „( где $ (Т .Т;,) « теплопроводность воздуха, при температуре Т и Тз ..Еслй исследуемым параметром является влаж 20

,ность, то оперативный контроль влаж- ности вещества а осуществляют, ис- пользуя тарировочную з.ависимость

Q „= f(9, ), которая предварительно строится по известной (полученной .25 весовым методом) влажности контроли- руемого вещества. . В датчике повышение разрешающей способности и точности определения, ВНИИПИ Заказ 898/37

Тираж 897: Подписное

Филиал Шй "Патент", r. Ужгород ул. Проектная, 4 достигается за счет малой теплопроводности воздушного промежутка в пазах, выбора оптимального соотношения размеров пазов и осуществления контакта термореэисторов с эталонным блоком и исследуемой средой через идентичные диэлектрические пленки, что позволяет повысить эффективность применения датчика как в лабораторных исследованиях, так и в условиях,,производства, т.е. разрешающая способность,атчика увеличена на ЗОЖ.

Дат ;ик позволяет сократить время проведения. одного анализа до 2-3 мин, повысить чувствительность измерений, уменьшить количество обслуживающего персонала и значительно сократить расход электроэнергии. ПроизводительО ность. труда при использовании предлагаемого,датчика увеличится примерно в,20 раз за счет сокращения времени на выполнение анализа и возможности использования предлагаемого изобретения для оперативного контроля влагосодержания агломератных àññ в лоточно-механизированных линиях при серийном и массовом производстве химических источников токае