Устройство для измерений теплопроводности

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для измерений высоких значений теплопроводности стационарным методом, предусматривающим использование продольного теплового потока в образце исследуемого материала.

Известны устройства, реализующие такой способ измерений для определения высоких значений теплопроводности. Аналогом предлагаемого изобретения является установка-компаратор для измерений теплопроводности образцов, имеющих форму продолговатых прямоугольных параллелепипедов, изготовленных из исследуемых материалов и имеющих строго одинаковые размеры (Черепанов В.Я., Лозинская О.М., Рыбак Н.И., Ямшанов В.А. Измерительная установка и компаратор для измерений высоких значений теплопроводности // Измерительная техника. - 2009. - №10. - С. 56-59). Тепловой блок установки содержит тепломер, по форме и размерам идентичный исследуемым образцам и изготовленный из высокотеплопроводного металла. Тепломер снабжен электрическим нагревателем, размещенным на его поверхности вблизи одного торца, а также дифференциальным датчиком, измеряющим разность температуры в средней части тепломера. Другой торец тепломера примыкает к торцу исследуемого образца, который также снабжен дифференциальным датчиком, измеряющим разность температуры в средней части образца. Другим торцом образец контактирует с охлаждаемой поверхностью батареи Пельтье. Всю эту конструкцию размещают на плоской поверхности теплоизолятора, плотно сжимают специальным устройством и покрывают теплоизоляцией. Нагреватель и батарею Пельтье подключают к источникам питания, а датчики разности температуры на тепломере и образце - к измерителям их сигналов.

При прохождении теплового потока, создаваемого нагревателем и батареей Пельтье, на тепломере и образце возникают разности температуры, пропорциональные их теплопроводности. Для определения эффективной теплопроводности λ_Т тепломера используют образец с известным значением λ₀ теплопроводности, имеющим такую же форму и размеры, что и тепломер, а также одинаковое расположение датчиков на их поверхности. В этом случае справедливо равенство

где ΔT_Т0 и ΔТ₀ - измеренные значения разности температуры соответственно на тепломере и на «эталонном» образце. С учетом этого значения λ_Х теплопроводности исследуемого образца находят по формуле

Здесь ΔТ_ТХ и ΔТ_Х - измеренные значения разности температур, соответственно, на тепломере и образце.

К недостаткам такого устройства-аналога следует отнести проблему точных измерений (с погрешностью на уровне нескольких сотых долей кельвина) малых разностей температуры на поверхности тепломера и образца. Это приводит к необходимости использования многоспайных дифференциальных термопар, имеющих высокую чувствительность, но требующих электрическую изоляцию их спаев от поверхности электропроводных образцов и тепломера. Это может являться источником значительной погрешности измерений.

Однако главным недостатком аналогичных устройств является то, что для получения достоверных результатов измерений необходимо располагать эталонными мерами с приписанными значениями теплопроводности λ₀, полученными на первичном эталоне единицы этой физической величины. Однако в настоящее время такие меры существуют только для значений теплопроводности менее 20 Вт/(м⋅K). Поэтому для определения теплопроводности λ_Т тепломера при эксплуатации установки-аналога привлекают образцы из материалов, теплопроводность которых определена на установках, основанных на абсолютном методе измерений или известна из справочных данных. Очевидно, что при такой ситуации невозможно гарантировать точность полученных результатов.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству, взятой в качестве прототипа, является измерительная установка, также основанная на стационарном методе формирования аксиального теплового потока в исследуемом образце (Черепанов В.Я., Лозинская О.М., Рыбак Н.И., Ямшанов В.А. Измерительная установка и компаратор для измерений высоких значений теплопроводности // Измерительная техника. - 2009. - №10. - С. 56-59). Однако, в отличие от аналога, в ней используют абсолютный, а не относительный вариант этого метода, предусматривающий задание в образце теплового потока с помощью электрического нагревателя, окруженного адиабатическим тепловым экраном, температуру которого поддерживают равной температуре поверхности нагревателя образца. Предполагается, что благодаря этому теплообмен нагревателя образца с внешней средой исключается и его мощность Р_Х полностью преобразуется в тепловой поток Q_Х, направленный в образец. Теплопроводность λ_Х в этом случае рассчитывают по формуле

где - длина контролируемого участка поверхности образца, на котором измеряют разность (перепад) ΔТ_Х температур; S_Х - площадь поперечного сечения образца.

Тепловой блок установки-прототипа, реализующей такой метод, содержит исследуемый образец в виде цилиндрического стержня, один конец которого снабжен электрическим нагревателем, а другой конец имеет резьбу и ввернут в корпус блока охлаждения (холодильника). Образец окружен адиабатическим экраном, нижняя часть которого также снабжена нагревателем, расположенным напротив нагревателя образца, а его верхняя часть закреплена на холодильнике. Всю эту измерительную ячейку помещают в герметичную камеру и погружают в жидкостный термостат.

Для измерений перепада ΔТ_Х температуры на поверхности образца используют дифференциальную термопару, спаи которой размещают на расстоянии друг от друга в средней части образца. Для контроля равенства температур экрана и образца используют аналогичную термопару, один спай которой располагают на поверхности нагревателя образца, а другой - на внутренней поверхности экрана в зоне его нагревателя.

Кроме теплового блока с жидкостным термостатом измерительная установка содержит регулятор температуры ячейки, регулятор температуры экрана, стабилизированный источник питания нагревателя образца, милливольтметр и переключатель, который обеспечивает поочередное подключение к милливольтметру термопары, измеряющей перепад температуры ΔТ_Х, а также необходимые для определения мощности Р_Х напряжение на нагревателе образца и на мере электрического сопротивления, включенного последовательно с нагревателем.

Погрешность рассмотренной установки зависит, главным образом, от степени соответствия измеряемой электрической мощности Р₀ нагревателя образца тепловому потоку Q_Х в образце. Чтобы это соответствие было полным, необходимо исключить тепловые потоки между образцом и экраном, в основном, обусловленные теплопроводностью проводов нагревателя и термопар, идущих к экрану, а также трудно теоретически и экспериментально учитываемый теплообмен между их боковыми поверхностями.

К недостаткам устройства-прототипа относится также необходимость размещать (наматывать) нагревательный элемент непосредственно на поверхности образца вблизи одного его конца и снабжать резьбой его другой конец. Без этого невозможно обеспечить надежные тепловые контакты торцов образца с нагревателем и холодильником, от качества которых зависит воспроизводимость результатов измерений, особенно, высоких значений теплопроводности. Устранение этого недостатка путем силового механического сжатия приведет к невозможности обеспечить адиабатизацию нагревателя образца. Кроме этого, необходимость намотки нагревателя на каждый исследуемый образец с монтажом и демонтажом термопар, сопровождаемых точными измерениями расстояния между спаями одной из них, ограничивает производительность устройства-прототипа, особенно, при массовых измерениях теплопроводности. К недостатку такого устройства относится также отсутствие возможности измерений теплопроводности хрупких металлов, полупроводников и керамик, из которых невозможно изготовить образцы с резьбой. Но главным недостатком прототипа является невозможность обеспечить гарантию точности полученных на нем результатов измерений, так как неосуществима их прослеживаемость к первичному эталону теплопроводности, которого для высоких значений теплопроводности в настоящее время не существует.

Поэтому является актуальной задача создания устройства, свободного от указанных недостатков аналога и прототипа и позволяющего получать достоверные результаты измерений высоких значений теплопроводности с гарантированными показателями точности.

При этом технический результат от внедрения устройства должен заключаться в том, что оно может быть выполнено в виде достаточно простого в эксплуатации прибора, обеспечивающего точные измерения высоких значений теплопроводности твердых тел с гарантированной достоверностью полученных результатов без привлечения к процессу измерений образцов с известными значениями теплопроводности.

Для решения поставленной задачи и достижения такого технического результата предлагается устройство, которое не имеет недостатков аналога и прототипа. Устройство отличается тем, что оно содержит подключенную к источнику питания первую батарею Пельтье, на поверхности которой последовательно расположены датчик теплового потока (ДТП), пластина-концентратор теплового потока с первым датчиком температуры, исследуемый образец, контактная пластина с вторым датчиком температуры, вторая батарея Пельтье, также подключенная к источнику питания.

Описание предлагаемого устройства и принцип его действия поясняет схема, приведенная на фиг. 1 где:

1 - холодильник, 2 - датчик теплового потока, 3 - пластина-концентратор, 4 - исследуемый образец, 5 - теплоизоляция, 6 - контактный диск, 7 - нагреватель, 8 - источник питания, 9 - измеритель сигналов.

Устройство содержит две батареи Пельтье - нижнюю и верхнюю. Каждая из этих батарей может выполнять функцию нагревателя или теплостока. На нижней батарее Пельтье 1 установлен датчик теплового потока 2, на котором размещена пластина-концентратор теплового потока 3 с датчиком температуры. На пластине последовательно размещены: исследуемый образец 4, контактная пластина 6 с датчиком температуры и верхняя батарея Пельтье 7. Образец окружен теплоизоляцией 5. Батареи Пельтье подключены к источникам питания 8, а датчики теплового потока и датчики температуры - к измерителям их сигналов 9.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец высотой h_Х и площадью S_Х поперечного сечения устанавливают вместе с теплоизоляцией между концентратором и контактной пластиной. Такую сборку вставляют между датчиком теплового потока, размещенном на нижней батарее Пельтье, и верхней батарей Пельтье, а затем все элементы конструкции сдавливают прижимным устройством. С помощью источников питания батарей задают значения Т₁ и Т₂ температуры торцов образца, необходимые для уверенных измерений их разности датчиками, установленными в концентраторе и в контактной пластине. При наступлении стационарного температурного режима измеряют сигнал Е датчика теплового потока, площадь S_T контактной поверхности которого равна площади контактной поверхности пластины-концентратора. В этом случае плотность q_X теплового потока в образце равна

где K - значение коэффициента преобразования датчика, определенное путем калибровки с помощью эталона плотности теплового потока; S_T - паспортное значение площади датчика.

С учетом этого из (3) следует уравнение измерений теплопроводности

Из уравнения следует, что источниками погрешности являются погрешности измерений плотности теплового потока, температуры торцов образца, а также его длины и площади поперечного сечения. Гарантированные значения этих погрешностей устанавливают при калибровке средств измерений указанных величин по соответствующим эталонам.

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается ожидаемый технический результат: гарантированную точность задания плотности теплового потока в образце обеспечивает предназначенный для этой цели калиброванный на соответствующем эталоне контактный датчик, элементы конструкции теплового блока допускают силовое механическое сжатие, обеспечивающее между ними надежный тепловой контакт и позволяющее проводить измерения температуры на торцах образца установленными в концентраторе и в контактной пластине калиброванными датчиками; влияние остаточного теплообмена на боковой поверхности образца можно учитывать изменением направления теплового потока путем изменения функций батарей Пельтье (нагревателя и теплостока) на противоположные.

Таким образом, в соответствии с поставленной задачей, предлагаемое устройство не содержит характерных для аналогичных устройств и прототипа недостатков, позволяющее получать результаты измерений высоких значений теплопроводности с гарантированными показателями точности.