Устройство для определения теплопроводности материалов

 

Сущность изобретения: устройство содержит два одинаковых выносных стержнеобразных зонда, у которых два конца снабжены высокотеплопроводными коническими наконечниками и контактируют с поверхностью образца, а .два других конца находятся в контакте с холодной и горячей поверхностями термоэлектрической батареи. К плоским основаниям конических наконечников прикреплены плоские круглые пластинки из эластичного материала радиусом равным радиусу оснований наконечников, которые контактируют с поверхностью исследуемого образца. Теплопроводность материала пластинок λ_п и их толщина δ_п имеют значения, при которых выполняется соотношение, связывающее эти параметры с теплофизическими λ_з, r_к и геометрическими параметрами зондов l , S_з и наконечников R Благодаря тому, что пластинки выполнены из эластичного материала, способного за счет деформации воспроизводить рельеф зондируемой поверхности образца, значительно повышается воспроизводимость контактного термического сопротивления r_к, что повышает точность измерений. 1 ил.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в тех отраслях, где требуется определение теплопроводности объемных, тонкослойных и пленочных, в том числе обладающих анизотропией теплопроводности, материалов.

По авт.св. 949449, 1057830, патентам 1644013, 1749802 и 2075068 известны способы и устройства для их осуществления, позволяющие определять теплопроводность объемных изотропных материалов на образцах произвольной формы и на готовых изделиях без их разрушения; теплопроводность ориентированных тонкослойных и пленочных материалов с одновременным определением нормальной и тангенциальной ее составляющих; главных составляющих тензора теплопроводности анизотропных (ортотропных) объемных образцов.

Общим для устройств во всех этих изобретениях является то, что они содержат два выносных стержнеобразных зонда, у которых два конца, снабженные высокотеплопроводными коническими наконечниками, соединенными с зондами шарнирно, контактируют с поверхностью образца, а два других конца находятся в контакте с холодной и горячей поверхностями термоэлектрической батареи, две дифференциальные термопары с рабочими спаями, расположенными соответственно на контактирующих и на неконтактирующих с образцом концах зондов и подключенные к измерителю термоЭДС, источник тока, к выходу которого подключена термоэлектрическая батарея.

Несмотря на ряд достоинств этих устройств, заключающихся в широких возможностях по диапазону измерений, по классам исследуемых материалов, по номенклатуре и форме-размерам исследуемых образцов, а также в возможности осуществлять измерения непосредственно на готовых изделиях без их разрушения, причем при высокой скорости и производительности измерений, они имеют недостатки. Точность измерений с их помощью в значительной мере зависит от воспроизводимости от опыта к опыту контактного термического сопротивления между основаниями наконечников и поверхностью исследуемого образца (изделия). По этой причине при измерениях известными устройствами зондируемую поверхность образца доводят до шероховатости не более 1,5 мкм, что усложняет процесс подготовки образца и снижает производительность измерений. При этом применение контактной смазки хотя и снижает требование к шероховатости зондируемой поверхности образца, однако дополнительно усложняет процесс измерения и снижает производительность. Кроме того, известные устройства имеют ограниченный диапазон измерений теплопроводности (0,03 - 15 Вт/(м·К)), так как за пределами этого диапазона точность получаемых с их помощью результатов снижается и часто становится недостаточной. Так, в диапазоне 15 - 100 Вт/(м·К) погрешность измерений известных устройств возрастает до 10%, в случае неприменения контактной смазки становится еще больше.

Технической целью изобретения является повышение точности, производительности и расширение диапазона измерений.

Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее два выносных стержнеобразных зонда, у которых два конца, снабженные высокотеплопроводными коническими наконечниками, соединенными с зондами шарнирно, контактируют с поверхностью образца, а два других конца находятся в контакте с холодной и горячей поверхностями термоэлектрической батареи, две дифференциальные термопары с рабочими спаями, расположенными соответственно на контактирующих и на не контактирующих с образцом концах зондов и подключенные к измерителю термоЭДС, источник тока, к выходу которого подключена термоэлектрическая батарея, дополнительно снабжено двумя одинаковыми плоскими круглыми пластинками из эластичного резиноподобного материала радиусом, приблизительно равным радиусу оснований наконечников, которые одними сторонами прикреплены (приклеены) к плоским основаниям наконечников, а другими сторонами контактируют с поверхностью образца, причем теплопроводность материала пластинок λ_п, Вт/(м·К) и их толщина δ_п, м имеют значения, при которых выполняется условие где R - радиус оснований наконечников, м; l - длина цилиндрической части зондов, м; S₃ - площадь поперечного сечения цилиндрической части зондов, м²; λ_з - теплопроводность материала зондов, Вт/(м·К); r_к - контактное термическое сопротивление между пластинками и поверхностью образца, м²·К/Вт.

При таком выполнении устройства по основным изобретениям, а именно благодаря тому, что оно дополнительно снабжено двумя пластинками, прикрепленными к основаниям наконечников, в зоне контакта зондов с образцом создается дополнительное термическое сопротивление, равное δ_п/λ_п, создающее условие, при котором полное сопротивление (δ_п/λ_п+2r_к) вследствие варьирования r_к в тех же пределах изменяется в относительных единицах в значительно меньших пределах. Именно это создает предпосылки повышению точности измерений. Кроме того, благодаря тому, что пластинки выполнены из эластичного резиноподобного материала, способного за счет деформации воспроизводить рельеф зондируемой поверхности образца, значительно повышается воспроизводимость контактного термического сопротивления r_к между поверхностями пластинок, обращенных к образцу, и поверхностью образца. В том числе на образцах, имеющих большую шероховатость зондируемой поверхности по сравнению с устройствами по основным изобретениям. То есть эластичность пластинок создает дополнительные предпосылки повышения точности измерений. Благодаря этому же исключается необходимость применения контактной смазки, что позволяет упростить процесс измерения и, следовательно, повысить производительность. Однако указанные эффекты повышения точности измерений на фоне снижения чувствительности устройства к измеряемой теплопроводности, неизбежно возникающего при появлении в зоне контактов зондов с образцом дополнительных сопротивлений, проявляется только в том случае, если будет выполнено соотношение (1), связывающее теплопроводность пластинок (λ_п) и их толщину (δ_п), в том числе с теплофизическими и геометрическими параметрами зондов и наконечников. В противном случае, а именно в случае, если устройство снабжено пластинками, которые не удовлетворяют условию (1), точность измерений может наоборот снизиться по сравнению с основными изобретениями. То есть выполнение именно всех вышеперечисленных требований к пластинкам одновременно создает условие для повышения точности измерений, в том числе без применения контактной смазки и за пределами диапазона по основным изобретениям, то есть условие для повышения производительности и расширения диапазона измерений.

Очевидно, что использование предлагаемого устройства применительно к тонкослойным и анизотропным материалам на основе приемов и методик по патентам 1644013 и 1749802 дает возможность также повысить точность, производительность и расширить диапазон измерений нормальной тангенциальной составляющих теплопроводности ориентированных тонкослойных и пленочных материалов, а также главных составляющих тензора теплопроводности анизотропных (ортотропных) объемных образцов.

Во всем этом заключается техническая новизна и полезность заявляемого устройства.

Заявляемое устройство показано на чертеже.

Устройство содержит два стержнеобразных зонда 1, у которых одни концы посредством плоских круглых пластинок 2 из эластичного резиноподобного материала, прикрепленных (приклеенных) к основаниям высокотеплопроводных конических наконечников 3, контактируют с поверхностью образца 4. Другие концы зондов установлены в медные пластинки 5 и прикреплены к холодной и горячей поверхностям термоэлектрической батареи 6, подключенной к выходу постоянного по характеру и по величине тока 7. Две дифференциальные термопары 8 и 9 с рабочими спаями соответственно на контактирующих с образцом концах зондов и на медных пластинках подключены к измерителю 10 двух термоЭДС или к измерителю непосредственно отношений двух термоЭДС.

Предлагаемое устройство испытано и потвердило свою эффективность. При испытаниях использовались зонды с параметрами, что и в основных изобретениях. Для контактных пластинок 2 был выбран эластичный резиноподобный материал (силиконовый герметик) с максимально высокой для таких материалов теплопроводностью (λ_п). Соотношение (1) при этом было выполнено путем расчета толщины (δ_п) пластинок с учетом ранее выбранных, в том числе в устройствах по основным изобретениям, зондов и наконечников и при r_к, равном 1,5·10^-4 м²·К/Вт.

Испытания устройства показали, что его градуировочная зависимость, как зависимость, например, величины отношения двух регистрируемых разностей температур зондов от теплопроводности, имеет характер, идентичный градуировочным зависимостям по основным изобретениям, в том числе по патенту 2075068. При этом случайная погрешность измерений, характеризуемая средним квадратическим отклонением результатов, уменьшается по сравнению с устройством по основному изобретению в отдельных диапазонах более чем в пять раз. Так, в диапазоне 0,2 - 2 Вт/(м·К) случайная погрешность меняется в пределах 0,3 - 0,7%; в диапазонах 0,03 - 0,2 и 2 - 15 Вт/(м·К) - в пределах 0,7 - 1,5%; в диапазоне 15 - 100 Вт/(м·К) - в пределах 1,5 - 5%, то есть диапазон измерений теплопроводности с приемлемой погрешностью (менее 10%) расширяется до 100 Вт/(м·К) и выше.

Все эти данные получены без применения контактной смазки, что является подтверждением эффективности предлагаемого устройства в плане повышения производительности измерений более чем в два раза.

Формула изобретения

Устройство для определения теплопроводности материалов, содержащее два одинаковых выносных стержнеобразных зонда, у которых два конца, снабженные высокотеплопроводными коническими наконечниками, соединенными с тормозондами шарнирно, контактируют с поверхностью образца, а два других конца находятся в контакте с холодной и горячей поверхностями термоэлектрической батареи, две дифференциальные термопары с рабочими спаями, расположенными соответственно на контактирующих и на неконтактирующих с образцом концах зондов, и подключенные к измерителю термоЭДС, источник тока, к выходу которого подключена термоэлектрическая батарея, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено двумя плоскими круглыми пластинками из эластичного материала радиусом, равным радиусу оснований наконечников, которые одними сторонами прикреплены соосно к плоским основаниям наконечников, а другими сторонами контактируют с поверхностью образца, причем теплопроводность материала пластинок (λ_п Вт/ (м · К)) и их толщина (σ_п, м) имеют значения, при которых выполняется условие где R - радиус оснований наконечников, м; l - длина цилиндрической части зондов, м; S_з - площадь поперечного сечения цилиндрической части зондов, м²;
λ_з - теплопроводность материала зондов, Вт/ (м · К);
r_к - контактное термическое сопротивление между пластинками и поверхностью образца, м² · К/Вт.

РИСУНКИ

Рисунок 1