Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов

 

О П Й С А Н Й Е (ii 741125

ЙЗОЬРЕТЕНЙЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61 ) Допол н и тел ьное к а вт. с вил-ву! (51) M. Кл.

G 01 М 25/18 (53) УДК 536,2 (088.8 )

I (22) Заявлено 08.12.77 (21)2551593/18-25 с присоелинением заявки.%6Ъоударстеенный комитет (23) Приоритет— ао делам изобретений и открытий

Опубликовано 15.06.80. Бюллете".:. ".=- -> 2

Дата опубликования описания 18.06,80 (72) Авторы изобретения

Ю. Н. Абрамов и А. З. Петелин (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОБОД НОСТИ

ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемое устройство относится к области определения теплофизических констант, 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, образцы исследуемых материалов, холодильни10 ки (приемники тепловых потоков) и различные измерительные средства tl) .

Однако эти устройства обладают рядом существенных недостатков. Они являются обычно весьма сложными, требуют больших затрат времени, применимы для узкого круга материалов и не обеспечивает высокой точности измерений, так как окончательный результат получают косвенным методом на основе большого чис- о ла прямых измерений.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения теплопроводности неэлектропроводных материалов стандартным методом двух пластин (21 . Оно имеет плоский специальной конструкции электрический нагреватель, зажатый между 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 такс ro устройства является сложность, большая длительность и невысокая точность измерений, а также возможность применения для измерения теплопроводности только неэлектропроводных материалов. Сло.кность обусловлена наличием специального нагревателя, холодильников и сложней измерительной схемы для контроля нескольких величин. Невысокая точность объясняется тем, что теплопроводность определяется косвенным методом, а на результаты прямых изме741125

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 — основание; на фиг. 3-нагреватель, 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 испытуемого материала и имеющие стандартные размеры.

В центре основания выполнено гнездо для нагревателя, который со всех сторон оказывается окруженным испытуемым материалом. Нагреватель состоит из спирали

5, которая спрессована телом 6, изготов- 4 ленным из терморезистивного материала, например, смеси окислов марганца, меди и кобальта. Эти окислы являются полупроводниками, имеют достаточно высокое удельное сопротивление и большой темпе- 4 ратурный коэффициент с опротивления.

Изменение температуры на один градус 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, тело нагревателя, окружающее спираль, вместе с электродами превращается в терморезистор, являющийся чувствительным эле-5 ментом ус тройств а.

В основании 4 выполнены четыре канавки 9, в которых размещаются выводы

8 терморезистора и выводы 1О спирали, 35 рении существенное влияние оказывает точность приборов, утечка тепла и температура окружающей среды. Возможность применения устройства для испытания только неэлектропроводных материалов обусловлена тем, что нагреватель, помещенный между образцами, выполнен из неизолированных проводников.

Цель изобретения — упрощение устройства, повышение точности и расширение l0 области применения устройства для испытания любых твердых материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее электрический нагреватель, состоящий из нагревательной 15 спирали и окружающего ее тела, выполненного из терморезистивного материала, -покрытого электроизоляционной пленкой, а для включения в измерительную цепь на два противоположных торца тела, являю- 20 щегося терморезистивным элементом, методом напыления нанесены металлические электроды. с помощью которых она подключается к источнику питания. Измерительная цепь с терморезистором и цепь источника питания со спиралью электрически разделены, поэтому перетекания тока между этими цепями в нагревателе не будет. Снаружи нагреватель покрыт электроизоляционной пленкой, например, эпоксидного или кремнийорганического лака. Этим обеспечивается применение устройства для испытания любых твердых материалов, и не только электроизоляционных. На крышку 3 и основание 4 снаружи накладываются цля крепления две тонкие металлические пластины 2, которые сжимаются специальным зажимом.

Все устройство размещается в термостате, где поддерживается постоянная температура и осуществляется интенсивное перемешив ание воздуха.

В установившемся 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.

С ( гGd 4 где g" = — — — — поверхностная ппотФ

S ность теплового поток а гад = — температурный градие ент в образце; — температура внутрен1 ней поверхности образца, равная температуре нагревателя, - температура наружной

2. поверхности образца и металлических пластин; — толщина крышки и основания.

Используя эти соотношения, можно определить разность температур между поверхностями образца:

При стандартных размерах 5 и E образца, постоянной мощности нагревателя или, что то же самое, при постоянном тепловом потоке ф эта разность температур будет зависеть только от теплопроводности образца. Интенсивным перемеши7411

5 аханием воздуха в термостате можно обеспечить постоянную температуру .Поэтому температура „и температура терморезистора (тела нагревателя), а следовательно, и его сопротивление будет зависеть только от тел лопроводности испытуемого материала. Таким образом, включив в измерительную цепь терморезистор и электроизмерительный прибор, например, омметр или миллиамперметр, 10 шкалу его можно праградуировать непосредственно в единицах теплопроводности.

Использование нового элемента, сочетающего 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 по-20 лупроводниковых резисторов, являющихся, как известно, высокочувствительными элементами, 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, 30 предлагаемое устройство может быть использовано для измерения теплопроводности любых твердых материалов, а не толь-. ко электроизоляционных, так как изоляционное покрытие нагревателя исключает перетекание тока, например, по проводящему образцу.

Формула изобретения

Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов, содержащее электрический нагреватель, зажатый между двумя пластинами — холодильниками, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цьлью 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 металлические электроды.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 305397, кл. G 01 8 25/18, 1967.

2. Авторское свидетельство СССР

Nv 504965, кл., G Ol М 25 18, 1972.

741125

Составитель Ю. Абрамов

Редактор Г. Шибаева Техред И. Асталощ Корректор М. Коста

Зак аз 3 1 93/43 Тираж 1019 Подпис ное

ПНИИПИ 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