В съответствие с изискванията на Федерален закон № 261-FZ „За енергоспестяването“, изискванията за топлопроводимостта на сградите и топлоизолационни материалив Русия са затегнати. Днес измерването на топлопроводимостта е една от задължителните точки при вземането на решение дали да се използва материал като топлоизолатор.
Защо е необходимо измерването на топлопроводимост в строителството?
Контролът на топлопроводимостта на строителни и топлоизолационни материали се извършва на всички етапи от тяхното сертифициране и производство в лабораторни условия, когато материалите са изложени на различни фактори, които влияят върху техните експлоатационни свойства. Има няколко общи метода за измерване на топлопроводимостта. За точно лабораторно изпитване на материали с ниска топлопроводимост (под 0,04 - 0,05 W / m * K) се препоръчва използването на инструменти, използващи метода на стационарния топлинен поток. Използването им се регулира от GOST 7076.
Фирма "Интерприбор" предлага измервателни уреди за топлопроводимост, чиято цена се сравнява с предлаганите на пазара и отговаря на всички съвременни изисквания. Предназначен е за лабораторен контрол на качеството на строителни и топлоизолационни материали.
Предимства на топломер ITS-1
Измервателят за топлопроводимост ITS-1 е с оригинален моноблок дизайн и се характеризира със следните предимства:
- автоматичен цикъл на измерване;
- високопрецизен измервателен път, който позволява стабилизиране на температурите на хладилника и нагревателя;
- възможността за калибриране на устройството за определени видове изследвани материали, което допълнително повишава точността на резултатите;
- експресна оценка на резултата в процеса на извършване на измервания;
- оптимизирана "гореща" зона за сигурност;
- информативен графичен дисплей, който улеснява контрола и анализа на резултатите от измерването.
ITS-1 се доставя в единствената базова модификация, която по желание на клиента може да бъде допълнена с контролни проби (плексиглас и дунапрен), кутия за насипни материали и защитен калъф за съхранение и транспортиране на устройството.
Физическите методи за анализ се основават на използването на някакъв специфичен физичен ефект или определено физическо свойство на веществото. За газов анализизползвайте плътност, вискозитет, топлопроводимост, индекс на пречупване, магнитна чувствителност, дифузия, абсорбция, емисия, абсорбция на електромагнитно излъчване, както и селективна абсорбция, скорост на звука, реакционна топлина, електрическа проводимост и др. Някои от тези физични свойства и явления правят непрекъснат газов анализ и позволяват постигане на висока чувствителност и точност на измерване. Избор физическо количествоили явления е много важно да се елиминира влиянието на неизмерените компоненти, съдържащи се в анализираната смес. Използването на специфични свойства или ефекти позволява да се определи концентрацията на желания компонент в многокомпонентна газова смес. Неспецифични физични свойстваможе да се използва, строго погледнато, само за анализ на бинарни газови смеси. Вискозитет, индекс на пречупване и дифузия в газовия анализ практическа стойностНямам.
Предаването на топлина между две точки с различни температури става по три начина: конвекция, излъчване и топлопроводимост. При конвекцияпреносът на топлина е свързан с пренос на материя (пренос на маса); пренос на топлина радиацияпротича без участието на материята. Пренос на топлина топлопроводимостпротича с участието на материя, но без масообмен. Преносът на енергия възниква поради сблъсъка на молекули. Коефициент на топлопроводимост ( х) зависи само от вида на веществото, пренасящо топлина. Това е специфична характеристика на дадено вещество.
Размерът на топлопроводимостта в системата CGS cal / (s cm K), в технически единици - kcalDmch-K), в международната система SI - WDm-K). Съотношението на тези единици е, както следва: 1 cal / (cm s K) \u003d 360 kcal Dm h K) \u003d 418,68 W Dm-K).
Абсолютната топлопроводимост при прехода от твърди към течни и газообразни вещества варира от X = 418.68 Wdm-K)] (топлопроводимост на най-добрия топлопроводник - среброто) до хред 10 _6 (топлопроводимост на най-слабо проводимите газове).
Топлопроводимостта на газовете се увеличава силно с повишаване на температурата. За някои газове (GH 4: NH 3) относителната топлопроводимост рязко нараства с повишаване на температурата, а за някои (Ne) намалява. Според кинетичната теория топлопроводимостта на газовете не трябва да зависи от налягането. Различни причини обаче водят до факта, че с увеличаване на налягането топлопроводимостта леко се увеличава. В диапазона на налягането от атмосферно до няколко милибара, топлопроводимостта не зависи от налягането, тъй като средният свободен път на молекулите се увеличава с намаляване на броя на молекулите на единица обем. При налягане от -20 mbar, средният свободен път на молекулите съответства на размера на измервателната камера.
Измерването на топлопроводимостта е най-старият физичен метод за газов анализ. Описан е през 1840 г., по-специално в трудовете на А. Шлейермахер (1888-1889) и се използва в промишлеността от 1928 г. насам. През 1913 г. Сименс разработва уред за измерване на концентрация на водород за дирижабли. След това, в продължение на много десетилетия, инструменти, базирани на измерване на топлопроводимост, бяха разработени с голям успех и широко използвани в бързо развиващата се химическа индустрия. Естествено, първоначално са анализирани само двойни газови смеси. Най-добри резултати се получават при голяма разлика в топлопроводимостта на газовете. Водородът има най-висока топлопроводимост сред газовете. На практика също беше оправдано измерването на концентрацията на CO s в димните газове, тъй като топлопроводимостта на кислорода, азота и въглеродния оксид е много близка една до друга, което позволява сместа от тези четири компонента да се разглежда като квази- двоичен.
Температурните коефициенти на топлопроводимост на различните газове не са еднакви, така че можете да намерите температурата, при която топлопроводимостта на различните газове е еднаква (например 490 ° C - за въглероден диоксид и кислород, 70 ° C - за амоняк и въздух, 75 ° C - за въглероден диоксид и аргон). При решаването на определена аналитична задача тези съвпадения могат да се използват чрез приемане на тройка газова смесза квази-двоичния.
При газовия анализ можем да приемем, че топлопроводимостта е адитивно свойство.Чрез измерване на топлопроводимостта на сместа и познаване на топлопроводимостта на чистите компоненти на бинарната смес може да се изчисли тяхната концентрация. Тази проста връзка обаче не може да се приложи към никоя бинарна смес. Така например смеси от въздух - водна пара, въздух - амоняк, въглероден оксид - амоняк и въздух - ацетилен при определено съотношение на компонентите имат максимална топлопроводимост. Следователно приложимостта на метода на топлопроводимост е ограничена до определен диапазон от концентрации. За много смеси има нелинейна зависимост на топлопроводимостта и състава. Поради това е необходимо да се вземе калибровъчна крива, по която да се направи скалата на записващия уред.
Сензори за топлопроводимост(термокондуктометрични сензори) се състоят от четири малки, пълни с газ камери с малък обем с тънки платинени проводници със същия размер и със същото електрическо съпротивление, поставени в тях, изолирани от тялото. Същият постоянен ток със стабилна стойност протича през проводниците и ги нагрява. Проводниците - нагревателни елементи - са заобиколени от газ. Две камери съдържат измервателния газ, другите две съдържат референтния газ. Всички нагревателни елементи са включени в моста Whiteton, с който измерването на температурна разлика от порядъка на 0,01°C не е трудно. Такава висока чувствителност изисква точно равенство на температурите на измервателните камери, така че цялата измервателна система се поставя в термостат или в измервателния диагонал на моста, като за температурна компенсация е включено съпротивление. Докато отнема топлината от нагревателни елементив камерите за измерване и сравнение е същото, мостът е в равновесие. При подаване на газ с различна топлопроводимост към измервателните камери това равновесие се нарушава, температурата на чувствителните елементи се променя, а с това и тяхното съпротивление. Полученият ток в измервателния диагонал е пропорционален на концентрацията на измервания газ. За повишаване на чувствителността трябва да се повиши работната температура на чувствителните елементи, но трябва да се внимава да се поддържа достатъчно голяма разлика в топлопроводимостта на газа. Така че за различни газови смеси има оптимална температура по отношение на топлопроводимост и чувствителност. Често разликата между температурата на чувствителните елементи и температурата на стените на камерите се избира от 100 до 150°C.
Измервателните клетки на индустриалните термокондуктометрични анализатори обикновено се състоят от масивен метален корпус, в който са пробити измервателни камери. Това гарантира равномерно разпределение на температурата и добра стабилност на калибриране. Тъй като показанията на измервателния уред за топлопроводимост се влияят от дебита на газа, газът се вкарва в измервателните камери през байпасния канал. Решенията на различни дизайнери за осигуряване на необходимия обмен на газове са дадени по-долу. По принцип се приема, че основният газов поток е свързан чрез свързващи канали с измервателни камери, през които газът тече с лек спад. В този случай дифузията и топлинната конвекция имат решаващо влияние върху обновяването на газа в измервателните камери. Обемът на измервателните камери може да бъде много малък (няколко кубични милиметра), което осигурява малък ефект на конвективния топлопренос върху резултата от измерването. За да се намали каталитичният ефект на платиновите проводници, техните различни начиниразтопени в тънкостенни стъклени капиляри. За да се гарантира устойчивостта на измервателната камера срещу корозия, всички части на газопровода са покрити със стъкло. Това прави възможно измерването на топлопроводимостта на смеси, съдържащи хлор, хлороводород и други корозивни газове. Термокондуктометричните анализатори със затворени референтни камери се използват предимно в химическата промишленост. Изборът на подходящ референтен газ опростява калибрирането на инструмента. Освен това можете да получите скала с потисната нула. За да се намали отклонението на нулевата точка, еталонните камери трябва да бъдат добре запечатани. В специални случаи, например при силни колебания в състава на газовата смес, е възможно да се работи с проточни сравнителни камери. В този случай, с помощта на специален реагент, един от компонентите се отстранява от измерената газова смес (например CO и разтвор на калий каустик) и след това газовата смес се изпраща в сравнителните камери. Измервателният и сравнителният клонове се различават в този случай само в отсъствието на един от компонентите. Този метод често дава възможност да се анализират сложни газови смеси.
Напоследък вместо метални проводници като чувствителни елементи понякога се използват полупроводникови термистори. Предимството на термисторите е 10 пъти по-висок температурен коефициент на съпротивление в сравнение с металните термистори. Така се постига рязко повишаване на чувствителността. Но в същото време се налагат много по-високи изисквания към стабилизирането на мостовия ток и температурата на стените на камерата.
По-рано от други и най-широко термокондуктометричните инструменти започнаха да се използват за анализ на димни газове от пещи. Поради високата чувствителност, високата скорост, лекотата на поддръжка и надеждността на дизайна, както и ниската си цена, анализаторите от този тип бързо бяха въведени в индустрията в бъдеще.
Термокондуктометричните анализатори са най-подходящи за измерване на концентрацията на водород в смеси. При избора на еталонни газове трябва да се имат предвид и смеси от различни газове. Следните данни могат да се използват като пример за минималните обхвати на измерване за различни газове (Таблица 6.1).
Таблица 6.1
Минимални диапазони на измерване за различни газове,
% до обем
Максималният диапазон на измерване най-често е 0-100%, при което 90 или дори 99% могат да бъдат потиснати. В специални случаи анализаторът на топлопроводимост позволява да има няколко различни диапазона на измерване на един инструмент. Това се използва например при наблюдение на пълненето и изпразването на турбогенератори с водородно охлаждане в топлоелектрически централи. Поради опасност от експлозии, корпусът на генератора не се пълни с въздух, а първо се вкарва въглероден диоксид като продухващ газ и след това водород. По същия начин се произвежда освобождаване на газ от генератора. С достатъчно висока възпроизводимост, следните диапазони на измерване могат да бъдат получени на един анализатор: 0-100% (об.) CO (във въздух за продухване с въглероден диоксид), 100-0% H 2 в CO (за пълнене с водород) и 100-80% H 2 (във въздуха за контрол на чистотата на водорода по време на работа на генератора). Това е евтин начин за измерване.
За да се определи съдържанието на водород в хлора, освободен по време на електролизата на калиев хлорид с помощта на термокондуктометричен анализатор, е възможно да се работи както със затворен еталонен газ (SO 2 , Ar), така и с течащ еталонен газ. В последния случай сместа от водород и хлор първо се изпраща в измервателната камера и след това в камерата за допълнително изгаряне с температура >200°C. Водородът изгаря с излишък от хлор, за да образува хлороводород. Получената смес от НС и С1 2 се подава в сравнителната камера. В този случай концентрацията на водород се определя от разликата в топлопроводимостта. Този метод значително намалява влиянието на примесите на малки количества въздух.
За да се намали грешката, която възниква при анализиране на мокър газ, газът трябва да се изсуши, което се прави или с помощта на абсорбатор на влага, или чрез понижаване на температурата на газа под точката на оросяване. Съществува и друга възможност за компенсиране на влиянието на влажността, която е приложима само при измерване със схема на проточен еталонен газ.
За работа с експлозивни газове редица компании произвеждат взривобезопасни устройства. В този случай се разчита на камерите на измервателите на топлопроводимост високо налягане, на входа и изхода на камерите са монтирани пламегасители, а изходният сигнал е ограничен до искробезопасно ниво. Такива устройства обаче не могат да се използват за анализ на смеси от експлозивни газове с кислород или водород с хлор.
- Сантиметър - грам - секунда - система от единици, която беше широко използвана преди приемането на Международната система от единици (SI).
В миналото са използвани много методи за измерване на топлопроводимостта. В момента някои от тях са остарели, но тяхната теория все още представлява интерес, тъй като се основават на решения на топлинни уравнения за прости системи, които често се срещат в практиката.
На първо място, трябва да се отбележи, че топлинните свойства на всеки материал се проявяват в различни комбинации; обаче, ако се разглеждат като характеристики на материала, те могат да бъдат определени от различни експерименти. Изброяваме основните топлинни характеристики на телата и експериментите, от които се определят: а) топлопроводимостта, измерена в стационарния режим на експеримента; б) топлинна мощност на единица обем, която се измерва с калориметрични методи; в) стойността, измерена в периодичен стационарен режим на експерименти; г) коефициент на топлопроводимост x, измерен в нестационарен режим на експерименти. Всъщност повечето експерименти, проведени в нестационарен режим, по принцип позволяват както дефиницията, така и дефиницията
Тук описваме накратко най-често срещаните методи и посочваме разделите, в които те се обсъждат. По същество тези методи се делят на такива, при които измерванията се извършват в стационарен режим (методи в стационарен режим), с периодично нагряване и в нестационарен режим (методи в нестационарен режим); те се подразделят допълнително на методи, използвани при изследване на лоши проводници и при изследване на метали.
1. Методи на постоянен режим; лоши проводници. При този метод условията на основния експеримент, посочени в § 1 на тази глава, трябва да бъдат точно изпълнени и изследваният материал трябва да има формата на плоча. В други версии на метода е възможно да се изследва материалът под формата на кух цилиндър (вижте § 2 на глава VII) или куха сфера (вижте § 2 на глава IX). Понякога изследваният материал, през който преминава топлина, има формата на дебела пръчка, но в този случай теорията се оказва по-сложна (виж §§ 1, 2 гл. VI и § 3 гл. VIII).
2. Термични методи на стационарно състояние; метали. В този случай обикновено се използва метална проба под формата на пръчка, чиито краища се поддържат при различни температури. Полуограничен прът е разгледан в § 3 гл. IV, а прътът с крайна дължина - в § 5 гл. IV.
3. Електрически методи на стационарен режим, метали. В този случай метален образец под формата на тел се нагрява чрез преминаване на електрически ток през него и краищата му се поддържат при определени температури (виж § 11, глава IV и пример IX, § 3, глава VIII). Възможно е също така да се използва случай на радиален топлинен поток в проводник, нагрят от електрически ток (виж Пример V, §2, Глава VII).
4. Методи за стационарен режим на движение на течности. В този случай се измерва температурата на течност, движеща се между два резервоара, в които се поддържа различна температура (виж § 9, гл. IV).
5. Методи за периодично нагряване. В тези случаи условията в краищата на пръта или плочата се променят с период след достигане на стабилно състояние, температурите се измерват в определени точки на пробата. Случаят на полубезкраен прът е разгледан в § 4 гл. IV, а за прът с крайна дължина - в § 8 на същата глава. Подобен метод се използва за определяне на топлопроводимостта на почвата по време на температурни колебания, причинени от слънчево отопление(виж § 12 гл. II).
Напоследък тези методи започнаха да играят важна роля в измерванията при ниски температури; те също имат предимството, че в теорията на сравнително сложни системи могат да се използват методите, разработени за изследване на електрически вълноводи (виж раздел 6, глава I).
6. Методи на нестационарен режим. В миналото методите за преходен режим са били използвани малко по-малко от методите за стабилно състояние. Техният недостатък се крие в трудността да се установи как действителните гранични условия в експеримента се съгласуват с условията, постулирани от теорията. Много е трудно да се вземе предвид такова несъответствие (например, когато говорим за контактно съпротивление на границата) и това е по-важно за тези методи, отколкото за методите на стационарен режим (виж § 10, глава II) . В същото време самите методи на нестационарен режим имат определени предимства. По този начин някои от тези методи са подходящи за извършване на много бързи измервания и за отчитане на малки промени в температурата; в допълнение, редица методи могат да се използват "in situ", без да е необходимо пробата да се транспортира до лабораторията, което е много желателно, особено при изследване на материали като почви и скали. Повечето по-стари методи използват само последната част от диаграмата температура спрямо време; в този случай решението на съответното уравнение се изразява с един експоненциален член. В § 7 гл. IV, § 5 гл. VI, § 5 гл. VIII и § 5 гл. IX разглежда случая на охлаждане на просто тяло геометрична формапо време на линеен топлопренос от повърхността му. В § 14 гл. IV се разглежда случаят на нестационарна температура в проводник, нагрят от електрически ток. В някои случаи се използва цялата графика на промяната на температурата в точка (виж § 10 гл. II и § 3 гл. III).
Досега не е разработена единна класификация, което е свързано с разнообразието от съществуващи методи. Известните експериментални методи за измерване на топлопроводимостта на материалите са разделени на две големи групи: стационарни и нестационарни. В първия случай качеството на изчислителната формула използва конкретни решения на уравнението на топлопроводимостта
при условие, във втория - при условие, където Т е температурата; f - време; - коефициент на топлопроводимост; l - коефициент на топлопроводимост; C - специфичен топлинен капацитет; d е плътността на материала; - оператор на Лаплас, записан в съответната координатна система; - специфична мощност на обемния източник на топлина.
Първата група методи се основава на използването на стационарен топлинен режим; вторият - нестационарен топлинен режим. Стационарните методи за определяне на коефициента на топлопроводимост по естеството на измерванията са директни (т.е. коефициентът на топлопроводимост се определя директно) и се разделят на абсолютни и относителни. При абсолютните методи параметрите, измерени в експеримента, позволяват да се получи желаната стойност на коефициента на топлопроводимост, като се използва формулата за изчисление. При относителните методи параметрите, измерени в експеримента, позволяват да се получи необходимата стойност на коефициента на топлопроводимост, като се използва формулата за изчисление. При относителните методи измерените параметри не са достатъчни за изчисляване на абсолютната стойност. Тук са възможни два случая. Първият е наблюдение на изменението на коефициента на топлопроводимост спрямо първоначалния, взет за единица. Вторият случай е използването на референтен материал с известни топлинни свойства. В този случай във формулата за изчисление се използва коефициентът на топлопроводимост на стандарта. Относителните методи имат известно предимство пред абсолютните методи, тъй като са по-прости. По-нататъшното разделяне на стационарните методи може да се извърши според естеството на нагряване (външно, обемно и комбинирано) и според вида на изотермите на температурното поле в пробите (плоски, цилиндрични, сферични). Подгрупата на методите с външно нагряване включва всички методи, които използват външни (електрически, обемни и др.) нагреватели и нагряване на повърхностите на пробите чрез термично излъчване или електронно бомбардиране. Подгрупата на методите с обемно нагряване обединява всички методи, които използват нагряване чрез ток, преминаващ през пробата, нагряване на пробата от неутронно или z-лъчение или чрез микровълнови токове. Подгрупа от методи с комбинирано нагряване може да включва методи, които едновременно използват външно и обемно нагряване на проби или междинно нагряване (например чрез високочестотни токове).
И в трите подгрупи стационарни методи температурното поле
може да е различно.
Плоските изотерми се образуват, когато топлинният поток е насочен по протежение на оста на симетрия на пробата. Методите, използващи плоски изотерми, в литературата се наричат методи с аксиален или надлъжен топлинен поток, а самите експериментални установки - плоски устройства.
Цилиндричните изотерми съответстват на разпространението на топлинния поток по радиуса на цилиндричния образец. В случай, че топлинният поток е насочен по радиуса на сферична проба, възникват сферични изотерми. Методите, използващи такива изотерми, се наричат сферични, а устройствата - сферични.
21 Държавен бюджет образователна институциявисше професионално образование на Московска област "Международен университет по природа, общество и човек "Дубна" (Университет "Дубна")
2 CJSC Междурегионална производствена асоциация за техническо придобиване TECHNOKOMPLEKT (CJSC MPOTK TECHNOKOMPLEKT)
Разработен е метод за измерване на топлопроводимостта на поликристални диамантени пластини. Методът включва прилагането на два тънкослойни съпротивителни термометъра, изработени по мостова схема, от противоположните страни на пластината. От една страна, на мястото на един от съпротивителните термометри, плочата се нагрява чрез контакт с горещ меден прът. От противоположната страна (на мястото на друг съпротивителен термометър) плочата се охлажда чрез контакт с водно охлаждана медна пръчка. Топлинният поток, протичащ през плочата, се измерва с помощта на термодвойки, монтирани върху горещ меден прът и регулирани автоматично устройство. Тънкослойните съпротивителни термометри, отложени чрез метода на вакуумно отлагане, имат дебелина 50 нанометра и са почти неразделна част от повърхността на плочата. Следователно измерените температури съответстват точно на температурите на противоположните повърхности на плочата. Високата чувствителност на тънкослойните съпротивителни термометри се осигурява от повишеното съпротивление на техните резистори, което прави възможно използването на мостово захранващо напрежение от най-малко 20 V.
топлопроводимост
поликристални диамантени плочи
тънкослоен мостов температурен сензор
1. Битюков В.К., Петров В.А., Терешин В.В. Методология за определяне на коефициента на топлопроводимост на полупрозрачни материали // Международна термофизична школа, Тамбов, 2004. - С. 3-9.
2. Духновски М.П., Ратникова А.К. Метод за определяне на топлофизичните характеристики на материал и устройство за неговото прилагане // Патент на РФ № 2319950 IPC G01N25/00 (2006).
3. Колпаков А., Карташев Е. Управление на топлинните режими на силовите модули. //Компоненти и технологии. - 2010. - № 4. - С. 83-86.
4. Определяне на топлопроводимостта на диамантени поликристални филми с помощта на фотоакустичния ефект // ZhTF, 1999. - V. 69. - Br. 4. - С. 97-101.
5. Инсталация за измерване на топлопроводимостта на прахообразни материали // Резюмета на доклади, представени на Третата международна конференция и Третата международна школа за млади учени и специалисти „Взаимодействие на водородни изотопи с строителни материали» (ИНИСМ-07). - Саров, 2007. - С. 311-312.
6. Църкова О.Г. Оптични и топлофизични свойства на метали, керамика и диамантени филми по време на високотемпературно лазерно нагряване // Известия на Института по обща физика. А. М. Прохорова, 2004. - Т. 60. - С. 30-82.
7. Минитуаризиран тънкослоен температурен сензор за широк обхват на измерване // Proc. на 2-ри международен семинар на IEEE относно напредъка в сензорите и интерфейсите, IWASI. - 2007. - С.120-124.
Съвременните електронни компоненти, особено силовата електроника, генерират значително количество топлина. За да се гарантира надеждната работа на тези компоненти, в момента се разработват устройства с радиатор, които използват синтетични диамантени пластини с ултрависока топлопроводимост. Точното измерване на топлопроводимостта на тези материали е от голямо значение за създаването на съвременни устройства за силова електроника.
За измерване на топлопроводимостта с приемлива точност в посоката на главния радиатор (перпендикулярна на дебелината на плочата), е необходимо да се създаде топлинен поток с повърхностна плътност най-малко 20 върху повърхността на пробата, поради много високата топлопроводимост от поликристални диамантени радиаторни плочи. Описаните в литературата методи, използващи лазерни системи (вижте ), осигуряват недостатъчна повърхностна плътност на топлинния поток от 3,2 и в допълнение причиняват нежелано нагряване на измерваната проба. Методите за измерване на топлопроводимостта чрез импулсно нагряване на проба с фокусиран лъч и методите, използващи фотоакустичния ефект, не са директни методи и следователно не могат да осигурят необходимото ниво на надеждност и точност на измерванията, а също така изискват сложно оборудване и тромави изчисления . Методът на измерване, описан в статията, който се основава на принципа на плоските топлинни вълни, е подходящ само за материали с относително ниска топлопроводимост. Методът на стационарната топлопроводимост може да се използва само за измерване на топлопроводимостта в посоката на плочата и тази посока не е основната посока на отвеждане на топлината и не представлява научен интерес.
Описание на избрания метод на измерване
Необходимата повърхностна плътност на стационарен топлинен поток може да се осигури чрез контакт с горещ меден прът от едната страна на диамантената плоча и контакт със студен меден прът от противоположната страна на диамантената плоча. Тогава измерената температурна разлика може да бъде малка, например само 2 °C. Поради това е необходимо да се измери точно температурата от двете страни на плочата в точките на контакт. Това може да бъде направено с помощта на миниатюрни тънкослойни съпротивителни термометри, които могат да бъдат произведени чрез вакуумно отлагане на термометърна мостова измервателна верига върху повърхността на плоча. Документът описва нашия предишен опит в проектирането и производството на миниатюрни високопрецизни тънкослойни съпротивителни термометри, което потвърждава възможността и полезността на използването на тази технология в нашия случай. Тънкослойните термометри имат много малка дебелина от 50–80 nm и следователно тяхната температура не се различава от температурата на повърхността на плочата, върху която са отложени. Горещият меден прът се нагрява от електрически изолиран нихромов проводник, увит около пръта за значителна дължина, за да осигури необходимата топлинна мощност. Топлопроводимостта на медния прът осигурява пренос на топлинен поток с плътност най-малко 20 в аксиалната посока на пръта. Този топлинен поток се измерва с помощта на две тънки хромел-алумелови термодвойки, разположени на определено разстояние една от друга в две секции по оста на пръта. Топлинният поток, преминаващ през плочата, се отвежда с помощта на меден прът с водно охлаждане. Силиконовата грес DowCorningTC-5022 се използва за намаляване на термичното съпротивление в контактните точки на медните пръти с плочата. Термичните контактни съпротивления не влияят на величината на измерения топлинен поток, те причиняват леко повишаване на температурата на плочата и нагревателя. По този начин топлопроводимостта на плочата в основната посока на отвеждане на топлината се определя чрез директни измервания на големината на топлинния поток, преминаващ през плочата, и големината на температурната разлика на нейните повърхности. За тези измервания може да се използва плоча за проба с размери приблизително 8x8 mm.
Трябва да се отбележи, че тънкослойните съпротивителни термометри могат да се използват в бъдеще за наблюдение на работата на продукти на силова електроника, съдържащи диамантени плочи, премахващи топлината. Литературата също подчертава значението на вградения термичен мониторинг на силовите модули.
Описание на дизайна на щанда, неговите основни елементи и устройства
Тънкослойни мостови температурни сензори
За високо прецизно измерване на температурата, мостова верига на съпротивителен термометър се отлага върху повърхността на плоча от поликристален изкуствен диамант чрез магнетронно разпръскване. В тази схема два резистора са направени от платина или титан, а другите два са направени от нихром. При стайна температурасъпротивленията и на четирите резистора са еднакви и равни. Да разгледаме случая, когато два резистора са направени от платина.С промяната на температурата съпротивлението на резисторите се увеличава:
Суми на съпротивление: . Съпротивлението на моста е . Стойността на сигнала по измервателния диагонал на моста е равна на: U m= аз 1 Р 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- аз 4 Р 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .
При малка промяна на температурата от няколко градуса може да се приеме, че общото съпротивление на моста е R0, токът през рамото на моста е 0,5.U0/R0, където U0 е захранващото напрежение на моста. При тези предположения получаваме стойността на измервателния сигнал, равна на:
U m= 0,5. U 0 . 3,53.10 -3 Δ T= 1,765.10 -3 .U 0 Δ T.
Да приемем, че стойността Δ T= 2? ° С, то при захранващо напрежение 20 V ще получим стойността на измервателния сигнал, равна на U m\u003d 70 mV Като се има предвид, че грешката на измервателните уреди ще бъде не повече от 70 μV, откриваме, че топлопроводимостта на плочата може да бъде измерена с грешка не по-лоша от 0,1%.
За напрежението и термисторите обикновено се приема, че разсейваната мощност е не повече от 200 mW. При захранващо напрежение от 20 V това означава, че съпротивлението на моста трябва да бъде поне 2000 ома. По технологични причини термисторът се състои от n нишки с ширина 30 микрона, разположени на 30 микрона една от друга. Дебелината на резистора е 50 nm. Дължината на резистора е 1,5 mm. Тогава съпротивлението на една нишка от платина е 106 ома. 20 платинени нишки ще образуват резистор със съпротивление 2120 ома. Ширината на резистора ще бъде 1,2 мм. Съпротивлението на една нихромова нишка е 1060 ома. Следователно нихромният резистор ще има 2 нишки и ширина 0,12 mm. Когато два резистора Р 0 , Р 3 са направени от титан, чувствителността на сензора ще намалее с 12%, но вместо 20 платинени нишки, резисторът може да бъде направен от 4 титанови нишки.
Фигура 1 показва диаграма на тънкослоен мостов температурен сензор.
Фиг. 1. Тънкослоен мостов температурен сензор
Плака образец 1 е с размери 8x8 mm и дебелина 0,25 mm. Размерите съответстват на случая, когато се използват платинени резистори и нихромови резистори. Свързването на 2 резистора един към друг (защриховани), контактните площадки 3,4,5,6 на силовите шини и измерванията се извършват с медно-никелови проводници. Кръгът на контакт с медните пръти на нагревателя 7, от една страна, и охладителя, от друга страна, има диаметър 5 mm. Електрическата верига на съпротивителния термометър, показана на фигура 1, се прилага от двете страни на плочата за проба. За електрическа изолация повърхността на всеки съпротивителен термометър е покрита с тънък слой от силициев диоксид или силициев оксид чрез вакуумно отлагане.
Уреди за отопление и охлаждане
За създаване на стационарна температурна разлика между двете повърхности на диамантената плоча се използват нагревател и охладител (Фигура 2).
Ориз. 2. Схема на щанда:
1 - корпус, 2 - охлаждащ корпус, 3 - диамантена плоча, 4 - нагревателен прът, 5 - нихромова тел, 6 - стъкло, 7 - топлоизолация, 8 - микрометричен винт, 9 - капак на корпуса, 10 - пружина Belleville, 11, 12 - термодвойки, 13 - стоманена топка,
14 - основна плоча, 15 - винт.
Нагревателят се състои от електрически изолиран нихромов проводник 5, който е навит върху меден прът на нагревателя 4. Отвън нагревателят е затворен с медна тръба 6, заобиколена от топлоизолация 7. В долната част медният прът е 4 има диаметър 5 mm и краят на пръта 4 е в контакт с повърхността на диамантената плоча 3. От другата страна диамантената пластина е в контакт с горната цилиндрична част на медното тяло 2, охлаждано с вода (охлаждащо тяло). 11,12-хромел-алумел термодвойки.
Нека обозначим температурата, измерена от термодвойка 11, - температурата, измерена от термодвойка 12, - температурата на повърхността на плоча 3 от страната на нагревателя, - температурата на повърхността на плоча 3 откъм по-хладната страна, и - водата температура. В описаното устройство протичат топлообменни процеси, характеризиращи се със следните уравнения:
(1)
( (2)
)
(4)
където: - електрическа мощност на нагревателя,
Ефективност на нагревателя,
топлопроводимост на медта,
l е дължината на контактния прът,
d - диаметър на контактния прът,
Очаквана топлопроводимост на плоча 3,
t-дебелина на плочата,
Коефициент на топлоотвеждане за скоростта на водата,
площ на охлаждащата повърхност,
Обемен топлинен капацитет на водата,
D- диаметър на водопровода в охладителната кутия,
Промяна в температурата на водата.
Да приемем, че температурната разлика в плочата е 2°C. След това през плочата преминава топлинен поток 20. При диаметър на медна пръчка 5 mm този топлинен поток съответства на мощност 392,4 W. Приемайки ефективността на нагревателя равна на 0,5, получаваме електрическата мощност на нагревателя 684,8 W. От уравнения (3.4) следва, че водата почти не променя температурата си и температурата на повърхността на диамантената плоча 3 ще бъде 11 = 248ºC.
За нагряване на медния прът 4 се използва нихромов проводник 5, изолиран. Краищата на нагревателните проводници излизат през жлеб в част 4. Нагревателните проводници са свързани чрез по-дебели медни проводници към триак усилвателя на мощност PR1500, който се управлява от регулатора TPM148. Програмата на контролера се настройва според температурата, измерена от термодвойка 11, която се използва като обратна връзка за контролера.
Устройството за охлаждане на пробата се състои от медно тяло 2 с контактен цилиндър с диаметър 5 mm в горната част. Корпус 2 е с водно охлаждане.
Нагревателното устройство е монтирано върху пружина Belleville 10 и е свързано към главата на финия винт 8 с помощта на топка 13, която се намира във вдлъбнатината на частта 4. Пружината 10 ви позволява да регулирате напрежението в контактът на пръта 4 с пробата 3. Това се постига чрез завъртане на горната глава на финия винт 8 с ключ. Определено движение на винта съответства на известната сила на пружината 10. Като извършим първоначалното калибриране на силите на пружината без проба при контакта на пръта 4 с тялото 2, можем да постигнем добър механичен контакт на повърхности при допустими напрежения. Ако е необходимо точно измерване контактно напрежениедизайнът на стойката може да бъде подобрен чрез свързване на тялото 2 с калибрирани листови пружини към долната част на тялото на стойката 1.
Термодвойки 11 и 12 са монтирани, както е показано на фигура 2, в тесни разрези в главата на пръта 4. Термодвойка тел от хромел и алумел с диаметър 50 микрона се заварява заедно и се покрива с епоксидно лепило за електрическа изолация, след което се монтира в нейната изрязани и фиксирани с лепило. Също така е възможно да се уплътни края на всеки тип проводник на термодвойка близо един до друг, без да се образува кръстовище. На разстояние 10 cm към тънките проводници на термодвойките трябва да запоите по-дебели (0,5 mm) проводници със същото име, които ще бъдат прикрепени към регулатора и към мултиметъра.
Заключение
С помощта на метода и измервателните уреди, описани в тази статия, е възможно да се измери коефициентът на топлопроводимост на синтетични диамантени плочи с висока точност.
Разработването на метод за измерване на топлопроводимостта се извършва в рамките на работата „Разработване на съвременни технологии и проекти на продукти от интелигентна силова електроника за използване в битово и промишлено оборудване, в транспорта, в горивно-енергийния комплекс и в специални системи (модул за захранване с поликристален диамантен радиатор)“ с финансовата подкрепа на МОН. Руска федерацияпо държавна поръчка № 14.429.12.0001 от 05.03.2014г.
Рецензенти:
Акишин П.Г., доктор по физика и математика, старши научен сътрудник (доцент), заместник-ръководител на отдел, Лаборатория по информационни технологии, Обединен институт за ядрени изследвания (ОИЯИ), Дубна;
Иванов В.В., доктор по физика и математика, старши научен сътрудник (доцент), главен научен сътрудник, Лаборатория по информационни технологии, Обединен институт за ядрени изследвания (ОИЯИ), Дубна.
Библиографска връзка
Миодушевски П.В., Бакмаев С.М., Тингаев Н.В. ПРЕЦИЗНО ИЗМЕРВАНЕ НА СВЪРХВИСОКАТА ТОПЛОПРОВОДНОСТ НА МАТЕРИАЛА ВЪРХУ ТЪНКИ ПЛОЧИ // Съвременни проблеминаука и образование. - 2014. - № 5.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (дата на достъп: 01.02.2020 г.). Предлагаме на Вашето внимание списанията, издавани от издателство "Естествонаучна академия"