RU1800345C - Датчик дл определени коэффициента теплопроводности - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  оперативного контрол  в лабораторных исследовани х и в услови х производства дл  определени  различных параметров систем , например влажности по теплопроводности . Датчик выполнен в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонна  пластина.изготовлена с шероховатостью , идентичной шероховатости исследуемого материала. Пазы, выполненные в несущей пластине, соединены между собой и с внешней средой отверсти ми, через которые подкачиваетс  воздух, создающий избыточное давление в пазах, выгибающее диэлектрические планки с терморезисторами . 2 ил.

Description

: Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к устройствам дл  определени  теплопроводности веществ, и может быть использовано дл  оперативного контрол  в лабораторных исследовани х и в услови х производства дл  определени  различных параметров систем, например влажности по теплопроводности.

Цель изобретени  - расширение класса исследуемых материалов и повышение точности измерени .

Указанна  цель достигаетс  тем, что датчик дл  определени  коэффициента теплопроводности выполнен в виде блока с эталонным материалом, содержащего пластину

с пазами шириной д ( 5 1.01) и глубиной h 0,5 д. где I vQr - глубина проникновени  теплового импульса длительностью т в слой воздуха температуропроводностью Q. а также диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами .

Согласно изобретению, блок выполнен составным в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонна  съемна  пластина выполнена с шероховатостью, идентичной шероховатости исследуемого материала, а несуща  пластина выполнена с пазами и герметично закрепленными над ними диэлектрическими пленками, причем пазы соединены между собой и с внешней средой отверсти ми. Через отверсти  подкачиваетс  воздух, который создает избыточное давление в пазах, что, в свою очередь, выгибает диэлектрические пленки, которые прижимаютс  к съемной эталонной пластине и исследуемому объекту, обеспечива  таким образом идентичность условий работы измерительного и компенсационного терморезисторов, что повышает точность измерений за счет улучшени  условий ком00

о о

OJ

ел

ренсации терморезисторов при пропускании через них импульсов напр жени .

Кроме того, съемна  эталонна  пластина позвол ет подбирать эталонный материал с наиболее близкой теплопроводностью- no сравнению с измер емым образцом, расшир   таким образом номенклатуру изме- - р емых материалов.

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

Датчик содержит корпус 1 из металла, стойкого против коррозии и абразивного трени , 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 б и 7 с размещенными на них измерительным 8 и компенсационным 9 терморезисторами. Пазы 4 и 5 соединены между собой и с внешней средой отверсти ми 10 и 11. Датчик подключаетс  к измерительной схеме при помощи токоотводов 12. присоединенных к контактным площадкам коммутационных слоев 13 и 14.

Измерительна  схема (фиг.2) содержит импульсный источник питани  15 и мост 16, в измерительную диагональ которого включен регистрирующий прибор 17. Мост 16 составлен из переменных декадных резисторов R-|18, Ra19, R420, сдвоенного резистора Рз - Рз 21 и двух терморезисторов датчика - измерительного R|22 и компенсационного Rk23.

Датчику изготавливают следующим образом . В несущей пластине, котора  может быть выполнена из любого диэлектрического материала, изготавливаютс  пазы 4, 5 и отверсти  10, 11 (фиг.1), Отдельно изготавливаютс  диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами 9 и 8. Дл  этого на подложку (например, из кремни ), растворимую в реактивах, не вли ющих на диэлектрическую пленку, коммутационные слои и несущую пластину, наноситс  слой полиимидного лака толщиной 2-4 мкм, а затем слой резистивного материала, например никел , и коммутационна  структура 13 и 14, например хром- медь-никель. Методом селективной фотолитографии изготавливаютс  тонкопленочные терморезисторы из никел  с контактными площадками на основе структуры хром-медь-никель. Полученные структуры наклеиваютс  на несущую пластину над пазами , полностью их закрыва  диэлектрической пленкой. После этого подложки раствор ютс  в реактива х, травлением

вскрываютс  участки контактных площадок и к контактным площадкам присоедин ютс  выводы 12 дл  контактировани  с измерительной 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 сопротивлени  терморезисторов измен ютс , и в измерительной диагонали моста возникает сигнал разбаланса в зависимости от разности теплопроводностей исследуемого объекта и эталонного материала, который регистрируетс  прибором 17, например электронным осциллографом.

Зависимость изменени  температуры

от длительности теплового импульса дл  конфигурации терморезистора в виде круга выражаетс  следующим образом:.

25 VT

2 q (Q Г)1/2

fr-Wl (D

где а - диаметр терморезистора;

Q -- - коэффициент температуроп с роводности;

А - коэффициент теплопроводности; р ,с - плотность и удельна  теплоемкость вещества;

Ф(х) 1 -Ф(х); Ф (х) - табулированна  функци  ошибок,

Асимптомика выражени  (1) дл  малых а

значений аргумента вид:

Ут

2VQ7

имеет простой

-тсо.

Условием применимости выражени  (2)  вл етс  многократное превышение глубины проникновени  теплового импульса I vQr значени  диаметра а терморезистора .

Выражение (2) не учитывает так называемого контактного теплового сопротивлеии  1/OK , которое суммируетс  с определ емым тепловым сопротивлением 1 /« а/А. Выражение дл  тепловой проводимости контакта оь , имеет вид:

+«м Ос(Ас,П01. П02) +

+ о„(;СР/сгв)(3)

где Ас - коэффициент теплопроводности среды, заполн ющей контактную зону;

AM

, Ai,A2 - коэффициенты

теплопроводности диэлектрической пленки и контактирующего с ней материала;

Р - контактное давление;

оь - предел прочности дл  более пластичного материала;

hoi, ho2 - параметры, характеризующие шероховатость диэлектрической пленки и контактирующего с ней материала.

Используема  диэлектрическа  пленка в виде полиимидного лака фактически и определ ет величину теплового сопротивлени ,  вл  сь более пластичной и менее теплопроводной по сравнению с исследуемыми и эталонными материалами.

Таким образом, сигнал по напр жению, снимаемый с терморезистора

AU UaЦ Uа(V + VK) AU + A Uk,

определ етс  двум  составл ющими - полезной Ли и мешающей AUk. Здесь а- термический коэффициент сопротивлени  терморезистора. При использовании компенсационного канала с сигналом Alh Alh + AUik разностное напр жение:

AU-AUk+ ALh+ AlHk

AUi-AU,

т.к. мешающие составл ющие AUk и AUik взаимно компенсируютс  в силу идентичности контактных тепловых сопротивлений по данному решению. Пор док операций при определении теплопроводности сводитс  к осуществлению баланса моста при введе-. нии измерительного 8 и компенсационного 9 терморезисторов в тепловой контакт с двум  эталонными пластинами вещества с известной теплопроводностью. При этом сигнал на экране осциллографа 17 на всем прот жении импульса равен нулю. Затем вместо одной из пластин, тепловой контакт осуществл етс  с исследуемым материалом .

Результирующее напр жение при этом: AUЈ AUi-AU U .aqa(1/Ai-l/A)

Теплопроводность исследуемого материала определ етс  по формуле , Ai Uaq a

Uaqa-aiAUg.

5По сравнению с прототипом, в датчике повышение точности достигаетс  за счет идентичности условий контактировани  терморезисторов с измер емым и эталонным образцами, а также за счет плотного 0 прилегани  пленок с терморезистбрами к измер емому и эталонному образцам, возникшего в результате выгибани  пленок после образовани  в пазах датчика избыточного давлени .

Claims (1)

1. 5 Расширение номенклатуры исследуемых материалов достигаетс  за счет конст- . рукции датчика, позвол ющей иметь набор эталонных образцов с различными коэффициентами теплопроводности и в процессе 0 измерени  подбирать эталон с теплопро- водностьк наиболее близкой, к измер емому объекту. Это обсто тельство снижает погрешность измерений, что также вли ет на точность измерений. 5 Формула изобретени 

   Датчик дл  определени  коэффициента

   теплопроводности, выполненный в виде

   блока с эталонным материалом, содер жащего пластину с пазами шириной

   0 6 (0,4 cf 1,01) и глубиной h - 0,5 д , где I мЗг - глубина проникновени  теплового импульса длительностью т в слой воздуха температуропроводностью Q, а

   5 также диэлектрические пленки с размещенными на них компенсационным и измерительным терморезисторами, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью расширени  класса исследуемых материалов и повышеQ ни  точности измерени , блок выполнен составным в виде несущей и эталонной съемной пластин, причем эталонна  пластина выполнена с шероховатостью, идентичной шероховатости исследуемого

   5 материала, а несуща  пластина выполнена с пазами, при этом диэлектрические пленки герметично .закреплены над ними, причем пазы соединены между собой и с внешней средой отверсти ми.