Датчик для определения коэффициента теплопроводности

СОЮЗ СОЕЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИК 25/18 Н ДВТОРСН Соломоновудовогосследоват рскии и техточников тока 2212043к. 1973.ьство СССР(54)(57) ФИЦИЕНТА щий блок полненны 1 ОЭФвыГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(прототип). ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕПЛОПРОВОДНОСТИ, соде эталонным материалом в виде пластины, внуткоторой размещен компенсационный тер" морезистор, а на поверхности - измерительный терморезистор, защищенный диэлектрической пленкой, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения его разрешающей способнос. ти и точности определения, по обе стооны пластины выполнены пазы шириной0,4 ( 6 4 1,0 0 и глубиной Ь = 0,5 В", где 0 = 1 ЯТ - глубина проникновения теплового импульса длительностьюв слой воздуха температуропроводностью О, при этом измерительный терморезистор расположен в одном из пазов на диэлектрической пленке, закрепленной на поверхности пластины, а компенсационный терморезистор - в другом пазуна диэлектрической пленке, закрепленной Сфф в основании паза.Изобретение относится к измерительной технике," в частности к устройствам для определения теплопроводности веществ, и может быть использо, вано для оперативного контроля влабораторных исследованиях и в условиях производства для определенияразличных параметров систем, напри мер влажности го теплогроводностиИзвестно устройство для иэмере Ония коэффициента теплопровадности,содержащее блок эталонного материала, на поверхности которого разме"щен линейный терморезистивный элемент, служащий одновременно нагревателем и термометром сопротивления..При измерении теплопроводггости исследуемый материал приводят в платный контакт с эталонным блоком,пропускают ток через терморезистор .33и фиксируют его и два момента времени, после чего рассчитывают величиггу теггггопровадности по формулег 53" (1, . й31где 3 г - теплопроводнасть эталона 11Недостатком данного устройстваявляется необходимость измеренияцелого ряда параметров (Тг, Т1: и 1), что усложняет процесс измерения и снижает его точность.Наиболее близким к предлагаемомуявляется датчик для определения влажности тел по теплопровадности, содер 35жащий блок с эталонным материалом,внутри которого размещен компенсационный терморезистар, а на поверх"ности - измерительный терморезисторееееееенеый Кнекектрнееской пленкой 24 йНедостатком известного датчикаявляется невысокая разрешаеющая спо-собность. Эта связано с тем, чтоконструкция датчика предусматриваетиспользование .единого (с точки зрения неизменности теплофизическиххарактеристик материала, контактирующего. с измерительным,и компенсационным терморезисторами) блока эталонного материала, в котором тепло- Эйвой поток, выделяемый терморезисторами, распространяется на границахраздела двух пар сред: верхняя частьэталонного блока -.исследуежгй материал (для измерительного терморезис- Итора) и верхняя - нижняя части эталонного блока (для компенсационноготерморезнстора). В такам датчике часть тепла отводится в исследуемый материал и нижнюю часть эталонного блока, зондируя их и сравнивая их тепдофизические 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.Указ,йнная 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 поверхностиизмеритедьный термарезистар, защищенный диэлектрической пленкой, па обе стороны пластины выполнены пазы шириной 8 0,4 Р ф 8 й 1,0 Р и глубиной Ь = 0,5 3 , где 1 - глубина про" никновения теплового импульса длительностью ь в слой воздуха с температуррапроводностью 9 , при этом измери-. тельный терморезистор расположен в одном из пазов на диэлектрической пленке, закрепленной на поверхности пластины а компенсационный терморезистар - в другом лазу на диэлектрической пленке, закрепленной в осноаангги 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 11 удавлетворяют пазы с шириной 3 " и 1,глубиной Ы выбираемыми из соотно- . ,шений 0,4з 6" ( 1,01.:и Ь щ 0,58+, где Ч =4 ЯТ " глубина проникновения Фронта теплового импульса длительностью ь в слой воздуха, имеющего температуропроводность (Если исследования проводятся при 20+5,0 С, то для конкретных расче.тов размеров пазов зависимость величины, (в миллиметрах) от длительности импульса,ь, (в секундах) может быть нредставлена в более простом виде ".-Фй 654 Т, где 4,65. - коэфФициент, учитывающий теплофиэичес- кие свойства воздуха, Йижнгге пре3 114 делы 0,4 0 ширины и 0,2глубины паза определяются необходимостью соблюдения таких условий, при которых для данной длительности импульса ь не сказывается влияние. стенок, ограничивающих паз, на теплофизические свойства слоя воздуха в этом пазу.Верхний предел 1,0 8 ширины и 0,5 В глубины выбирается из условий 10 механической прочности пленки, от.- сутствия конвекции воздуха в пазу и отсутствия тензоэффекта.,Для боль-нства используемых пленок (поли-. мерных и стеклянных) толщиной 8-15 мкм, 1 ширина паза,3 " ( 1,0 6 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 ЗО фиг. 2 - развез 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,35 выполненный в виде пластины 2, по обе стороны которой выполнены пазы3 и 4. Один из пазов например 3, защищен тонкой (8-15 мкм) диэлектри 40 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) содержит импульсный источник 11 пита,ния и мост 12, в измерительную диагональ которого включен регистриру ющий прибор 13. Мост 12 составлен ,из переменных декадных резисторов К 4. 14, К 15, К 4. 16, сдвоенного резистора К,-К 17 и двух терморезис.торов датчика - измерительного К 18 и компенсационного К 19.Терморезисторы могут быть изготовлены, например, из платиновой проволоки диаметром 8 мкм или образованы методом наюыления. Блок эталонного материала представляет м.бой диск, например, из оргстекла, толщина которого Ь выбирается.из ус Ьловия . у 1, где Ю =ДТ - глубинар 3проникновения теплового фронта в эталонный материал;.Я - 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 кдиэлектрической пленке, в затем приклеивается к поверхности эталонногоФблока. 1Датчик работает следующим образом.При введении измерительного терморезистора 18 в контакт с и:следуемым , 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, например комнатной, вещества с наперед известной теплопроводностьюЯ(ТД ,полного баланса моста (при этом сигнал на экране осциллограФа на всем1протяжении импульса равен нулю) при одновременном измерении двух сопротивлений К (Т) и К 1.(Т), где КАналогичное измерение параметров К (Т) и К,(Т) при полном балансекмоста осуществляют при контакте изме" рительного терморезистора с исследуемым веществом. Телопроводность ис" следуемого вещества(Т) определяетФ,ся по Формулекй=ЪоМ+е эд(то)"1, Ст,1,(т 15 Где Ь о (Т 1.Т)теплопроводность воздуха, при температуре Т и Т Если исследуемым параметром является влаж 20 ,ность, то оперативный контроль влаж-ности вещества и осуществляют, ис- пользуя тарировочную з.ависимость Ц = Г( Ъ ), которая предварительно строится по известной (полученной 25 весовым методом) влажности контроли- руемого вещества.. В датчике повышение разрешающей способности и точности определения 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 ЗОХ.Дат;ик позволяет сократить время проведения. одного анализа до 2-3 мин, повысить чувствительность измерений, уменьшить количество обслуживающего персонала и значительно сократить расход электроэнергии, Производительность. 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 иасс в лоточно-механизированных линиях при серийном и массовом производстве химических источников то- кае