Датчик для определения коэффициента теплопроводности

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного 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.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПATЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4929683/25 (22) 22.04.91 (46) 07.03,93. Бюл, ¹ 9 (71) Научно-исследовательский технологический институт приборостроения (72) В.Д.Бобрышев, А.И,Черепков. P.ß.Ñïàлек и Н,А.Сергеева (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1004842, кл, G 01 N 25/18, 1981, Авторское свидетельство СССР

N. 1144041, кл. G 01 N 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 (0,41 < д < 1,0l) и глу3 ()(Я< биной h = 0,5 д, где I = 0m — глубина проникновения теплового импульса длительностью r в слой воздуха температуропроводностью О, а также диэлектрические пленки с размещенными на них компенса„„. Ж„„1800345 А1 оперативного 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. ционным и измерительным терморезисторами, Согласно изобретению, блок выполнен л составным в виде несущей и эталонной Q() 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 (Л пазы соединены между собой и с внешней средой отверстиями, Через отверстия подкачивается воздух, который создает избы- точное 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 41 компс.. ационноfo терморезисторов, что повышает точность измерений за счет улучшения условий ком1800345 пенсации терморезисторов при пропускании через них импульсов напряжения, Кроме того, съемная эталонная пластина позволяет подбирать эталонный материал с наиболее близкой теплопроводностью: 5 по сравнению с измеряемым образцом, расширяя таким образом номенклатуру изме-. ряемых материалов.

На фиг.1 представлен датчик: на фиг.2 изображена измерительная схема.

Датчик содержит корпус 1 из металла, стойкого против коррозии и абразивного трения, внутри которого размещен блок с эталонным материалом, выполненный в виде несущей пластины 2 и съемной эталонной пластины 3. В несущей пластине 2 по обе стороны выполнены пазы 4 и 5, которые защищены тонкими диэлектрическими пленками 6 и 7 с размещенными на них

20 измерительным 8 и компенсационным 9 терморезисторами. 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 R118, Яг19, R420, сдвоенного резистора R3 — R321 и двух терморезисторов ! датчика — измерительного RI22 и компенсационного Ry23. 35

Датчику 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- 40 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- 45 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- 50 онная структура 13 и 14, например хроммедь-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, травлением вскрываются 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:

VT — !Ф (, (1) где а — диаметр терморезистора;

Л

Q = — — коэффициент температуропрс ро водности;

il — коэффициент теплопроводности;

p,с — плотность и удельная теплоемкость вещества;

Ф (x) = 1-Ф(х); Ф (x) — табулированная функция ошибок.

Асимптомика выражения (1) для малых значений аргумента имеет простой а

2VQ z вид (2)

Условием применимости выраженйя (2) является многократное превышение глубины д>бникновения теплового импульса 1 =

= /От значения диаметра а терморезистора.

Выражение (2) не учитывает так называемого контактного теплового сопротивления 1/ак, которое суммируется с определяемым тепловым сопротивлением

1/а = a/À. Выражение для тепловой проводимости контакта. ак, имеет вид: а =а +а =а(Л,ho йог)+

+ . (Л., М.) (3) ! где Л, — коэффициент теплопроводности среды, заполняющей контактную зону;

1800345

Л„= -. - -, Л1, Лг — коэффициенты

Л1 Лг

1+ 2 теплопроводности диэлектрической пленки и контактирующего с ней материала;

P — контактное давление; о; — предел прочности для более пластичного материала;

ho1, ho2 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 терморезистора

Ь0=0а0, =Ua(V+V,) =h,Î+Ü 0, определяется двумя составляющими — полезной h U и мешающей h Ug. Здесь а— термический коэффициент сопротивления терморезистора. При использовании компенсационного канала с сигналом Л01 =

= 601+ b, V1y разностное напряжение:

ЛО = Ь0 — AUk+ 601+ Ь01к =

= Ли1 — Ли, т.к, мешающие составляющие Л0к и Ь01к 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 этом

AVE.= Л01 — Ь0= U aqa(1/Ë1 — 1/Л) Теплопроводность исследуемого материала определяется по формуле

Л1 «Аа

U aq à -a1 ЛUc

5 По сравнению с прототипом, в датчике повышение точности достигается за счет идентичности условий контактирования терморезисторов с измеряемым и эталонным образцами, а также за счет плотного

10 прилегания пленок с терморезисторами к измеряемому и эталонному образцам, возникшего в результате выгибания пленок после образования в пазах датчика избыточного давления.

15 Расширение номенклатуры исследуемых материалов достигается за счет конст. рукции датчика, позволяющей иметь набор эталонных образцов с различными коэффициентами теплопроводности и в процессе

20 измерения подбирать эталон с теплопроводностью наиболее близкой, к измеряемо1 му объекту. Это обстоятельство снижает погрешность измерений, что также влияет на точность измерений.

25 Формула изобретения

Датчик для определения коэффициента теплопроводности, выполненный в виде блока с эталонным материалом, содержащего пластину с пазами шириной д (0,41 <д < 1,0I) и глубиной h = 0,5 д где I = Qr — глубина проникновения теплового импульса длительностью т в слой воздуха температуропроводностью Q, а

З5 также диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых материалов и повыше40 ния точности измерения, блок выполнен составным в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонная пластина выполнена с шероховатостью, идентичной щероховатости исследуемого материала, а несущая пластина выполнена с пазами, при этом диэлектрические пленки герметично закреплены над ними, причем пазы соединены между собой и с внешней средой отверстиями.

1800345

Составитель В.Бобрышев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С. Шекмар

Редактор

Заказ 1160 Тираж Подписное

ВНИИПИ (осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-З, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101