Датчик для определения коэффициента теплопроводности

СО 03 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК О 1)5 6 01 й 25/18 1 Яр. ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ СВИДЕТЕЛЬСТВ ОРС тельным терморезистоционным ирами,ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР)(71) Научно-исследовательский технологический институт приборостроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 1004842, кл, 6 01 И 25/18, 1981,Авторское свидетельство СССРйт 1144041, кл, 6 01 М 25/18, 1983,(54) ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения теплопроводности веществ, и может быть использовано для оперативного контроля в лабораторных исследованиях и в условиях производства для определения различных параметров систем, например влажности по теплопроводности,Цель изобретения - расширение класса исследуемых материалов и повышение точности измерения,Указанная цель достигается тем, что датчик для определения коэффициента теплопроводности выполнен в виде блока с эталонным материалом, содержащего пластину с пазами шириной д (0,41д1,0) и глуЯ(биной Ь = 0,5 д, где= От - глубина проникновения теплового импульса длительностью т в слой воздуха температуропроводностью О, а также диэлектрические пленки с размещенными на них компенсаоперативного контроля в лабораторных исследованиях и в условиях производства для определения различных параметров систем, например влажности по теплопроводности. Датчик выполнен в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонная пластина изготовлена с шероховатостью, идентичной шероховатости исследуемого материала. Пазы, выполненные в несущей пластине, соединены между собой и с внешней средой отверстиями, через которые подкачивается воздух, создающий избыточное давление в пазах, выгибающее диэлектрические планки с терморезисторами,2 ил, Согласно изобретению, блок выполнен составным в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонная съем- ная пластина выполнена с шероховатостью, идентичной шероховатости исследуемого материала, а несущая пластина выполнена с пазами и герметично закрепленными над ними диэлектрическими пленками, причем пазы соединены между собой и с внешней средой отверстиями, Через отверстия подкачивается воздух, который создает избыточное давление в пазах, что, в свою очередь, выгибает диэлектрические пленки, которые прижимаются к съемной эталонной пластине и исследуемому объекту, обеспечивая таким образом идентичность условий работы измерительного и компс:ационного терморезисторов, что повышает точность измерений за счет улучшения условий ком 1800345ренсации терморезисторов при пропускании через них импульсов напряжения,Кроме того, съемная эталонная пластина позволяет подбирать эталонный материал с наиболее близкой теплопроводностью: 5по сравнению с измеряемым образцом, расширяя таким образом номенклатуру изме-.ряемых материалов.На фиг.1 представлен датчик: на фиг,2изображена измерительная схема. "0Датчик содержит корпус 1 из металла,стойкого против коррозии и абразивноготрения, внутри которого размещен блок сэталонным материалом, выполненный в виде несущей пластины 2 и съемной эталон- "5ной пластины 3. В несущей пластине 2 пообе стороны выполнены пазы 4 и 5, которыезащищены тонкими диэлектрическимипленками 6 и 7 с размещенными на нихизмерительным 8 и компенсационным 9терморезисторами. Пазы 4 и 5 соединены между собой и с внешней средой отверстиями 10 и 11, Датчик подключается к измерительной схеме при помощи токоотводов 12. присоединенных к контактным площадкам коммутационных слоев 13 и 14.Измерительная схема (фиг,2) содержит импульсный источник питания 15 и мост 16,в измерительную диагональ которого включен регистрирующий прибор 17. Мост 16 30 составлен из переменных декадных резисторов 8118, Йг 19, 8420, сдвоенного резистора Вз - Вз 21 и двух терморезисторовдатчика - измерительного Я 22 и компенсационного 823. 35Датчику изготавливают следующим образом. В несущей пластине, которая может быть выполнена из любого диэлектрического материала, изготавливаются пазы 4, 5 и отверстия 10, 11 (фиг.1), Отдельно изготав ливаются диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами 9 и 8. Для этого на подложку(например, из крем ния), растворимую в реактивах, не влияю щих на диэлектрическую пленку, коммутационные слои и несущую пластину, наносится слой полиимидного лака толщиной 2 - 4 мкм, а затем слой резистивного материала, например никеля, и коммутаци онная структура 13 и 14, например хром- медь-никель. Методом селективной фотолитографии изготавливаются тонкопленочные терморезисторы из никеля с контактными площадками на основе структуры 55 хром-медь-никель. Полученные структуры наклеиваются на несущую пластину над пазами, полностью их закрывая диэлектрической пленкой. После этого подложки растворяются в реактивах, травлениемвскрываются участки контактных площадок и к контактным площадкам присоединяются выводы 12 для контактирования с измери- тельной схемой.Датчик работает следующим образом. При введении измерительного 8 и компенсационного 9 терморезисторов в контакт с исследуемым объектом и эталонным материалом 3 соответственно и подаче импульсов тока на мост 16 с импульсного источника 15 температура, а следовательно и сопротивления терморезисторов изменяются, и в измерительной диагонали моста возникает сигнал разбаланса в зависимости от разности теплопроводностей исследуемого обьекта и эталонного материала, который регистрируется прибором 17, например электронным осциллографом.Зависимость изменения температуры от длительности теплового импульса для конфигурации терморезистора в виде круга выражается следующим образом:/Т /Ф1 (1) где а - диаметр терморезистора;А0 = -- коэффициент температуропрсроводности;1 - коэффициент теплопроводности; р,с - плотность и удельная теплоемкость вещества;Ф (х) = 1-Ф(х); Ф (х) - табулированная функция ошибок.Асимптомика выражения (1) для малых значений аргумента имеет простойа21/Овид чт= З(2) Условием применимости выраженйя (2) является многократное превышение глубины дзбникновения теплового импульса 1 = = ЧОт значения диаметра а терморезистора.Выражение (2) не учитывает так называемого контактного теплового сопротивления 1/ак, которое суммируется с определяемым тепловым сопротивлением 1/а = 3/А. Выражение для тепловой проводимости контакта. ак; имеет вид: ак =ас+ам =ас(Лс,Ьо 1, пог)+Лм = , Л 1, Л 2 - коэффициентыЛ 1 Л 21+ 2теплопроводности диэлектрической пленки и контактирующего с ней материала;Р - контактное давление;о - предел прочности для более пластичного материала;Ьо 1, Ьо 2 - параметры, характеризующие шероховатость диэлектрической пленки и контактирующего с ней материала.Используемая диэлектрическая пленка в виде полиимидного лака фактически и определяет величину теплового сопротивления, являясь более пластичной и менее теплопроводной по сравнению с исследуемыми и эталонными материалами.Таким образом, сигнал по напряжению, снимаемый с терморезистораЬО = Оа О, = О а(Ч+Ч,) =ЬО+ Ь Оьопределяется двумя составляющими - полезной ЬО и мешающей ЬОь. Здесь а - термический коэффициент сопротивления терморезистора. При использовании компенсационного канала с сигналом ЬО 1 = = Ь 01+ ЬО 1 разностное напряжение:ЬО = ЬО - ЬО+ ЬО 1+ ЬО 1 к= = ЬО 1 - ЬО,т.к, мешающие составляющие ЬОк и ЬО 1 к взаимно компенсируются в силу идентичности контактных тепловых сопротивлений по данному решению. Порядок операций при определении теплопроводности сводится к осущеСтвлению баланса моста при введении измерительного 8 и компенсационного 9 терморезисторов в тепловой контакт с двумя эталонными пластинами вещества с известной теплопроводностью. При этом сигнал на экране осциллографа 17 на всем протяжении импульса равен нулю, Затем вместо одной из пластин, тепловой контакт осуществляется с исследуемым материалом,Результирующее напряжение при этомЬО= ЬО 1 - ЬО= О аца(1/Л 1 - 1/Л) Теплопроводность исследуемого материала определяется по формулеЛ 1 ОацаОац а - а 1 ЬОс5 По сравнению с прототипом, в датчикеповышение точности достигается за счетидентичности условий контактированиятерморезисторов с измеряемым и эталонным образцами, а также за счет плотного10 прилегания пленок с терморезисторами кизмеряемому и эталонному образцам, возникшего в результате выгибания пленок после образования в пазах датчикаизбыточного давления,15 Расширение номенклатуры исследуемых материалов достигается за счет конст. рукции датчика, позволяющей иметь наборэталонных образцов с различными коэффициентами теплопроводности и в процессе20 измерения подбирать эталон с теплопроводностью наиболее близкой, к измеряемо 1му объекту. Это обстоятельство снижаетпогрешность измерений, что также влияетна точность измерений.25 Формула изобретенияДатчик для определения коэффициентатеплопроводности, выполненный в видеблока с эталонным материалом, содержащего пластину с пазами ширинойд (0,41 д1,0) и глубиной Ь = 0,5 дгде= От - глубина проникновения теплового импульса длительностью т в слойвоздуха температуропроводностью О, аЗ 5 также диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширениякласса исследуемых материалов и повыше 40 ния точности измерения, блок выполнен составным в виде несущей и эталоннойсъемной пластин, причем эталонная пластина выполнена с шероховатостью, идентичной шероховатости исследуемогоматериала, а несущая пластина выполненас пазами, при этом диэлектрические пленкигерметично закреплены над ними, причемпазы соединены между собой и с внешнейсредой отверстиями,1800345 ставитель В.Бобрхред М.Моргентал Редакто ектор С,Шекм Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 1160 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5