Vastavalt föderaalseaduse nr 261-FZ "Energiasäästu kohta" nõuetele, hoonete ja hoonete soojusjuhtivuse nõuded. soojusisolatsioonimaterjalid Venemaal on karmistatud. Tänapäeval on soojusjuhtivuse mõõtmine üks kohustuslikest punktidest, kui otsustatakse, kas kasutada materjali soojusisolaatorina.
Miks on ehituses vaja mõõta soojusjuhtivust?
Ehitus- ja soojusisolatsioonimaterjalide soojusjuhtivuse kontrolli teostatakse nende sertifitseerimise ja tootmise kõikides etappides laboritingimustes, kui materjalid puutuvad kokku erinevate nende tööomadusi mõjutavate teguritega. Soojusjuhtivuse mõõtmiseks on mitu levinud meetodit. Madala soojusjuhtivusega (alla 0,04–0,05 W / m * K) materjalide täpseks laboratoorseks testimiseks on soovitatav kasutada statsionaarse soojusvoo meetodit. Nende kasutamist reguleerib GOST 7076.
Ettevõte "Interpribor" pakub soojusjuhtivusmõõturit, mille hind on soodsalt võrreldav turul pakutavatega ja vastab kõigile kaasaegsetele nõuetele. See on ette nähtud ehitus- ja soojusisolatsioonimaterjalide laboratoorseks kvaliteedikontrolliks.
Soojusjuhtivusmõõturi ITS-1 eelised
Soojusjuhtivusmõõtur ITS-1 on originaalse monoplokkkonstruktsiooniga ja seda iseloomustavad järgmised eelised:
- automaatne mõõtmistsükkel;
- ülitäpne mõõtmistee, mis võimaldab stabiliseerida külmiku ja küttekeha temperatuure;
- võimalus kalibreerida seadet teatud tüüpi uuritavate materjalide jaoks, mis suurendab veelgi tulemuste täpsust;
- mõõtmiste tegemise protsessis tulemuse ekspresshinnang;
- optimeeritud "kuum" turvatsoon;
- informatiivne graafiline ekraan, mis lihtsustab mõõtmistulemuste kontrolli ja analüüsi.
ITS-1 tarnitakse ainsas põhimodifikatsioonis, mida saab kliendi soovil täiendada kontrollnäidistega (pleksiklaas ja vahtplast), puistematerjalide karbi ja kaitseümbrisega seadme hoiustamiseks ja transportimiseks.
Füüsikalised analüüsimeetodid põhinevad mingi konkreetse füüsikalise efekti või aine teatud füüsikalise omaduse kasutamisel. Sest gaasianalüüs kasutustihedus, viskoossus, soojusjuhtivus, murdumisnäitaja, magnetiline vastuvõtlikkus, difusioon, neeldumine, emissioon, elektromagnetkiirguse neeldumine, aga ka selektiivne neeldumine, helikiirus, reaktsioonisoojus, elektrijuhtivus jne. Mõned neist füüsikalistest omadustest ja nähtustest muudavad gaasi pideva analüüsi võimalikuks ja võimaldavad mõõta kõrget tundlikkust. Valik füüsiline kogus või nähtused on väga olulised, et välistada analüüsitavas segus sisalduvate mõõtmata komponentide mõju. Spetsiifiliste omaduste või mõjude kasutamine võimaldab määrata soovitud komponendi kontsentratsiooni mitmekomponendilises gaasisegus. Mittespetsiifiline füüsikalised omadused saab rangelt võttes kasutada ainult kahekomponentsete gaasisegude analüüsimiseks. Viskoossus, murdumisnäitaja ja difusioon gaasianalüüsis praktiline väärtus Ei ole.
Soojusülekanne kahe erineva temperatuuriga punkti vahel toimub kolmel viisil: konvektsioon, kiirgus ja soojusjuhtivus. Kell konvektsioon soojusülekanne on seotud aine ülekandega (massiülekandega); soojusülekanne kiirgust toimub ilma mateeria osaluseta. Soojusülekanne soojusjuhtivus toimub aine osalusel, kuid ilma massiülekandeta. Energia ülekanne toimub molekulide kokkupõrke tõttu. Soojusjuhtivuse koefitsient ( X) sõltub ainult soojust ülekandva aine tüübist. See on aine spetsiifiline omadus.
Soojusjuhtivuse mõõde CGS-süsteemis cal / (s cm K), tehnilistes ühikutes - kcalDmch-K), rahvusvahelises SI-süsteemis - WDm-K). Nende ühikute suhe on järgmine: 1 cal / (cm s K) \u003d 360 kcal Dm h K) \u003d 418,68 W Dm-K).
Absoluutne soojusjuhtivus üleminekul tahketelt ainetelt vedelatele ja gaasilistele ainetele erineb X = 418,68 Wdm-K)] (parima soojusjuhi soojusjuhtivus – hõbe) kuni X järjekord 10 _6 (kõige vähem juhtivate gaaside soojusjuhtivus).
Gaaside soojusjuhtivus suureneb temperatuuri tõustes tugevalt. Osade gaaside (GH 4: NH 3) suhteline soojusjuhtivus suureneb temperatuuri tõustes järsult ja osade (Ne) puhul väheneb. Kineetilise teooria järgi ei tohiks gaaside soojusjuhtivus sõltuda rõhust. Erinevad põhjused viivad aga selleni, et rõhu suurenemisega soojusjuhtivus veidi suureneb. Rõhuvahemikus atmosfäärirõhust mitme millibaarini ei sõltu soojusjuhtivus rõhust, kuna molekulide keskmine vaba tee suureneb koos molekulide arvu vähenemisega ruumalaühiku kohta. Rõhul -20 mbar vastab molekulide keskmine vaba tee mõõtekambri suurusele.
Soojusjuhtivuse mõõtmine on vanim füüsikaline gaasianalüüsi meetod. Seda kirjeldati 1840. aastal eelkõige A. Schleiermacheri (1888-1889) töödes ja seda on tööstuses kasutatud alates 1928. aastast. 1913. aastal töötas Siemens välja õhulaevade jaoks mõeldud vesiniku kontsentratsioonimõõturi. Seejärel töötati paljude aastakümnete jooksul suure eduga välja soojusjuhtivuse mõõtmisel põhinevaid seadmeid, mida kasutati laialdaselt kiiresti kasvavas keemiatööstuses. Loomulikult analüüsiti algul ainult kahekomponentseid gaasisegusid. Parimad tulemused saadakse gaaside soojusjuhtivuse suure erinevusega. Vesinik on gaaside seas kõrgeima soojusjuhtivusega. Praktikas oli põhjendatud ka CO s kontsentratsiooni mõõtmine suitsugaasides, kuna hapniku, lämmastiku ja vingugaasi soojusjuhtivus on teineteisele väga lähedased, mis võimaldab nende nelja komponendi segu lugeda kvaasibinaarseks.
Erinevate gaaside soojusjuhtivuse temperatuurikoefitsiendid ei ole samad, nii et saate leida temperatuuri, mille juures erinevate gaaside soojusjuhtivus on sama (näiteks 490 ° C - süsinikdioksiidi ja hapniku jaoks, 70 ° C - ammoniaagi ja õhu jaoks, 75 ° C - süsinikdioksiidi ja argooni jaoks). Teatud analüütilise ülesande lahendamisel saab neid kokkulangevusi kasutada kolmiku vastuvõtmisega gaasisegu kvaasibinaarsuse jaoks.
Gaasianalüüsis võime seda eeldada soojusjuhtivus on lisaomadus. Mõõtes segu soojusjuhtivust ja teades kahekomponentse segu puhaste komponentide soojusjuhtivust, saab arvutada nende kontsentratsioonid. Seda lihtsat seost ei saa aga ühelegi kahendsegule rakendada. Näiteks õhu - veeauru, õhu - ammoniaagi, süsinikmonooksiidi - ammoniaagi ja õhu - atsetüleeni segudel teatud komponentide vahekorras on maksimaalne soojusjuhtivus. Seetõttu on soojusjuhtivuse meetodi rakendatavus piiratud teatud kontsentratsioonivahemikuga. Paljude segude puhul on soojusjuhtivuse ja koostise mittelineaarne sõltuvus. Seetõttu on vaja võtta kalibreerimiskõver, mille järgi tuleks koostada salvestusseadme skaala.
Soojusjuhtivuse andurid(termokonduktomeetrilised andurid) koosnevad neljast väikesest väikese mahuga gaasiga täidetud kambrist, millesse on paigutatud kehast eraldatud ühesuurused ja sama elektritakistusega õhukesed plaatinajuhid. Sama stabiilse väärtusega alalisvool voolab läbi juhtide ja soojendab neid. Juhtmed - kütteelemendid - on ümbritsetud gaasiga. Kaks kambrit sisaldavad mõõtegaasi, ülejäänud kaks sisaldavad võrdlusgaasi. Whitetoni sillas sisalduvad kõik kütteelemendid, millega ei valmista raskusi suurusjärgus 0,01°C temperatuurierinevuse mõõtmine. Nii suur tundlikkus eeldab mõõtekambrite temperatuuride täpset võrdsust, mistõttu asetatakse kogu mõõtesüsteem termostaati või silla mõõtediagonaali ning temperatuuri kompenseerimiseks on kaasas takistus. Niikaua kui soojuse eemaldamine kütteelemendid mõõte- ja võrdluskambris on sama, sild on tasakaalus. Kui mõõtekambritesse suunatakse erineva soojusjuhtivusega gaas, siis see tasakaal rikutakse, muutub tundlike elementide temperatuur ja koos sellega ka nende takistus. Mõõtediagonaalis tekkiv vool on võrdeline mõõdetava gaasi kontsentratsiooniga. Tundlikkuse suurendamiseks tuleks tõsta tundlike elementide töötemperatuuri, kuid tuleb jälgida, et gaasi soojusjuhtivuses säiliks piisavalt suur erinevus. Seega on erinevate gaasisegude jaoks optimaalne temperatuur soojusjuhtivuse ja tundlikkuse osas. Sageli valitakse tundlike elementide temperatuuride ja kambrite seinte temperatuuride erinevus 100-150°C.
Tööstuslike soojusjuhtivuse analüsaatorite mõõteelemendid koosnevad tavaliselt massiivsest metallkorpusest, millesse on puuritud mõõtekambrid. See tagab ühtlase temperatuurijaotuse ja hea kalibreerimise stabiilsuse. Kuna soojusjuhtivusmõõturi näitu mõjutab gaasi voolukiirus, juhitakse gaas mõõtekambritesse möödaviigukanali kaudu. Allpool on toodud erinevate projekteerijate lahendused vajaliku gaasivahetuse tagamiseks. Põhimõtteliselt eeldatakse, et gaasi põhivool on ühendatud kanalite ühendamise kaudu mõõtekambritega, mille kaudu gaas liigub väikese langusega. Sel juhul on difusioonil ja termilisel konvektsioonil otsustav mõju gaasi uuenemisele mõõtekambrites. Mõõtekambrite maht võib olla väga väike (mitu kuupmillimeetrit), mis annab väikese konvektiivse soojusülekande efekti mõõtetulemusele. Plaatinajuhtide katalüütilise toime vähendamiseks tuleb nende erinevatel viisidel sulanud õhukeseseinalisteks klaaskapillaarideks. Mõõtekambri korrosioonikindluse tagamiseks on kõik gaasitoru osad kaetud klaasiga. See võimaldab mõõta kloori, vesinikkloriidi ja muid söövitavaid gaase sisaldavate segude soojusjuhtivust. Keemiatööstuses kasutatakse valdavalt suletud võrdluskambriga soojusjuhtiomeetrilisi analüsaatoreid. Sobiva etalongaasi valimine lihtsustab instrumendi kalibreerimist. Lisaks saad allasurutud nulliga skaala. Nullpunkti triivi vähendamiseks peavad võrdluskambrid olema hästi suletud. Erijuhtudel, näiteks gaasisegu koostise tugevate kõikumiste korral, on võimalik töötada läbivoolu võrdluskambritega. Sel juhul eemaldatakse mõõdetud gaasisegust spetsiaalse reagendi abil üks komponentidest (näiteks CO ja kaustilise kaaliumi lahus) ning seejärel saadetakse gaasisegu võrdluskambritesse. Mõõte- ja võrdlusharud erinevad sel juhul ainult ühe komponendi puudumisel. See meetod võimaldab sageli analüüsida keerulisi gaasisegusid.
Viimasel ajal kasutatakse tundlike elementidena metalljuhtide asemel mõnikord pooljuhttermistore. Termistoride eeliseks on 10 korda kõrgem temperatuuritakistustegur võrreldes metalltermistoridega. Sellega saavutatakse tundlikkuse järsk tõus. Kuid samal ajal esitatakse sillavoolu stabiliseerimisele ja kambri seinte temperatuurile palju kõrgemaid nõudeid.
Varem kui teised ja kõige laiemalt hakati ahjude suitsugaaside analüüsimiseks kasutama soojusjuhtivuse mõõteseadmeid. Tänu konstruktsiooni suurele tundlikkusele, suurele kiirusele, hooldamise lihtsusele ja töökindlusele ning madalale hinnale toodi seda tüüpi analüsaatorid tulevikus kiiresti tööstusesse.
Soojusjuhtiomeetrilised analüsaatorid sobivad kõige paremini vesiniku kontsentratsiooni mõõtmiseks segudes. Etalongaaside valikul tuleb arvestada ka erinevate gaaside segudega. Erinevate gaaside minimaalsete mõõtevahemike näitena saab kasutada järgmisi andmeid (tabel 6.1).
Tabel 6.1
Minimaalsed mõõtepiirkonnad erinevate gaaside jaoks,
% helitugevusele
Maksimaalne mõõtevahemik on enamasti 0-100%, kusjuures 90 või isegi 99% saab alla suruda. Erijuhtudel võimaldab soojusjuhtivuse analüsaator olla ühel instrumendil mitu erinevat mõõtevahemikku. Seda kasutatakse näiteks soojuselektrijaamade vesinikjahutusega turbogeneraatorite täitmise ja tühjendamise jälgimisel. Plahvatusohu tõttu ei täideta generaatori korpust õhuga, vaid esmalt juhitakse puhastusgaasina süsihappegaasi ja seejärel vesinikku. Samamoodi tekitavad generaatorist gaasi eraldumise. Piisavalt kõrge reprodutseeritavusega saab ühe analüsaatoriga saada järgmised mõõtevahemikud: 0-100% (maht) CO (õhus süsinikdioksiidiga puhastamiseks), 100-0% H 2 CO-s (vesinikuga täitmiseks) ja 100-80% H 2 (õhus vesiniku puhtuse kontrollimiseks generaatori töö ajal). See on odav viis mõõtmiseks.
Kaaliumkloriidi elektrolüüsil eralduvas klooris vesiniku sisalduse määramiseks termokonduktomeetrilise analüsaatori abil on võimalik töötada nii suletud etalongaasiga (SO 2 , Ar) kui ka voolava etalongaasiga. Viimasel juhul suunatakse vesiniku ja kloori segu esmalt mõõtekambrisse ja seejärel järelpõletisse temperatuuriga >200°C. Vesinik põleb koos liigse klooriga, moodustades vesinikkloriidi. Saadud HC ja C12 segu juhitakse võrdluskambrisse. Sel juhul määratakse vesiniku kontsentratsioon soojusjuhtivuse erinevuse järgi. See meetod vähendab oluliselt väikese õhukoguse segunemise mõju.
Märggaasi analüüsimisel tekkiva vea vähendamiseks tuleb gaas kuivatada, mida tehakse kas niiskusimari abil või alandades gaasi temperatuuri alla kastepunkti. Niiskuse mõju kompenseerimiseks on veel üks võimalus, mis on rakendatav ainult voolava etalongaasi skeemiga mõõtmisel.
Plahvatusohtlike gaasidega töötamiseks toodavad mitmed ettevõtted plahvatuskindlaid seadmeid. Sel juhul toetuvad soojusjuhtivusmõõturite kambrid kõrgsurve, leegipiirikud on paigaldatud kambrite sisse- ja väljalaskeavadesse ning väljundsignaal on piiratud sisemiselt ohutu tasemeni. Selliseid seadmeid ei saa aga kasutada plahvatusohtlike gaaside ja hapniku või vesiniku ja kloori segude analüüsimiseks.
- Sentimeeter - gramm - sekund - ühikute süsteem, mida kasutati laialdaselt enne rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) vastuvõtmist.
Soojusjuhtivuse mõõtmiseks on minevikus kasutatud palju meetodeid. Praegu on mõned neist vananenud, kuid nende teooria pakub endiselt huvi, kuna need põhinevad lihtsate süsteemide soojusvõrrandi lahendustel, mida praktikas sageli kohtab.
Kõigepealt tuleb märkida, et mis tahes materjali soojuslikud omadused ilmnevad erinevates kombinatsioonides; kui aga käsitleda materjali omadustena, saab neid määrata erinevate katsetega. Loetleme kehade peamised soojuskarakteristikud ja katsed, millest need määratakse: a) katse statsionaarses režiimis mõõdetud soojusjuhtivus; b) soojusmahtuvus mahuühiku kohta, mida mõõdetakse kalorimeetriliste meetoditega; c) katsete perioodilises statsionaarses režiimis mõõdetud väärtus; d) termiline difusioon x, mõõdetuna katsete mittestatsionaarses režiimis. Tegelikult võimaldab enamik mittestatsionaarses režiimis läbi viidud katseid põhimõtteliselt nii definitsiooni kui ka defineerimist
Kirjeldame siin lühidalt levinumaid meetodeid ja osutame jaotistele, milles neid arutatakse. Sisuliselt jagunevad need meetodid nendeks, mille puhul mõõtmised viiakse läbi statsionaarses režiimis (statsionaarse režiimi meetodid), perioodilise kuumutamisega ja mittestatsionaarses režiimis (mittestatsionaarse režiimi meetodid); need jagunevad veel meetoditeks, mida kasutatakse halbade juhtide ja metallide uurimisel.
1. Püsirežiimi meetodid; halvad dirigendid. Selle meetodi puhul peaksid olema täpselt täidetud käesoleva peatüki §-s 1 sätestatud põhikatse tingimused ning uuritav materjal peaks olema plaadi kujuga. Meetodi teistes versioonides on võimalik uurida materjali õõnsa silindri (vt VII peatüki § 2) või õõnsa kera kujul (vt IX peatüki § 2). Mõnikord on uuritav materjal, millest soojus läbi läheb, jämeda varda kujuga, kuid sel juhul osutub teooria keerulisemaks (vt §§ 1, 2 ptk VI ja § 3 ptk VIII).
2. Püsiseisundi termilised meetodid; metallid. Sel juhul kasutatakse tavaliselt varda kujul olevat metalliproovi, mille otsad hoitakse erinevatel temperatuuridel. Poolpiirdega varda käsitletakse §-s 3 Ch. IV ja piiratud pikkusega varras - § 5 ptk. IV.
3. Statsionaarse režiimi elektrilised meetodid, metallid. Sel juhul kuumutatakse traadi kujul olevat metallist näidist elektrivoolu läbilaskmisega ja selle otsad hoitakse kindlaksmääratud temperatuuridel (vt § 11, IV peatükk ja IX näide, § 3, VIII peatükk). Samuti on võimalik kasutada radiaalset soojusvoogu elektrivooluga soojendatavas juhtmes (vt Näide V, §2, VII peatükk).
4. Statsionaarses režiimis liikuvate vedelike meetodid. Sel juhul mõõdetakse vedeliku temperatuuri, mis liigub kahe reservuaari vahel, milles hoitakse erinevat temperatuuri (vt § 9, ptk IV).
5. Perioodilise kuumutamise meetodid. Nendel juhtudel muutuvad tingimused varda või plaadi otstes teatud perioodiga pärast püsiseisundi saavutamist, temperatuure mõõdetakse proovi teatud punktides. Poollõpmatu varda juhtumit käsitletakse §-s 4 Ch. IV ning piiratud pikkusega varda puhul - sama peatüki §-s 8. Sarnast meetodit kasutatakse pinnase termilise difusiooni määramiseks temperatuurikõikumiste ajal, mis on põhjustatud päikeseküte(vt § 12 ptk II).
Viimasel ajal on need meetodid hakanud mängima olulist rolli madala temperatuuri mõõtmisel; neil on ka see eelis, et suhteliselt keeruliste süsteemide teoorias saab kasutada elektrilainejuhtide uurimiseks välja töötatud meetodeid (vt 6. ptk. I peatükk).
6. Mittestatsionaarse režiimi meetodid. Varem on siirderežiimi meetodeid kasutatud mõnevõrra vähem kui püsirežiimi meetodeid. Nende puuduseks on raskusi kindlaks teha, kuidas eksperimendi tegelikud piirtingimused ühtivad teoorias postuleeritud tingimustega. Sellist lahknevust on väga raske arvestada (näiteks kui räägime kontakttakistusest piiril) ja see on nende meetodite puhul olulisem kui statsionaarse režiimi meetodite puhul (vt § 10, II peatükk). Samal ajal on mittestatsionaarse režiimi meetoditel iseenesest teatud eelised. Seega sobivad mõned neist meetoditest väga kiirete mõõtmiste tegemiseks ja väikeste temperatuurimuutuste arvestamiseks; lisaks saab mitmeid meetodeid kasutada "in situ", ilma et oleks vaja proovi laborisse transportida, mis on väga soovitav, eriti selliste materjalide nagu pinnase ja kivimite uurimisel. Enamik vanemaid meetodeid kasutab ainult temperatuuri ja aja graafiku viimast osa; sel juhul väljendatakse vastava võrrandi lahendust ühe eksponentsiaalse liikmega. § 7 ptk. IV, § 5 ptk. VI, § 5 ptk. VIII ja § 5 ptk. IX käsitleb lihtsa keha jahutamise juhtumit geomeetriline kuju lineaarse soojusülekande käigus selle pinnalt. Paragrahvis 14 ptk. IV, vaadeldakse elektrivooluga kuumutatud juhtme mittestatsionaarset temperatuuri. Mõnel juhul kasutatakse kogu punkti temperatuurimuutuse graafikut (vt § 10 ptk II ja § 3 ptk III).
Seni ei ole välja töötatud ühtset klassifikatsiooni, mida seostatakse olemasolevate meetodite mitmekesisusega. Tuntud eksperimentaalsed meetodid materjalide soojusjuhtivuse mõõtmiseks jagunevad kaheks suured rühmad: statsionaarne ja mittestatsionaarne. Esimesel juhul kasutab arvutusvalemi kvaliteet soojusjuhtivuse võrrandi konkreetseid lahendusi
tingimusel, teises - tingimusel, kus T on temperatuur; f - aeg; - termilise difusiooni koefitsient; l - soojusjuhtivuse koefitsient; C - erisoojusvõimsus; d on materjali tihedus; - Laplace'i operaator, mis on kirjutatud vastavasse koordinaatsüsteemi; - mahulise soojusallika erivõimsus.
Esimene meetodite rühm põhineb statsionaarse soojusrežiimi kasutamisel; teine - mittestatsionaarne termiline režiim. Statsionaarsed meetodid soojusjuhtivusteguri määramiseks mõõtmiste olemuse järgi on otsesed (st soojusjuhtivuse koefitsient määratakse otseselt) ja jagunevad absoluutseks ja suhteliseks. Absoluutmeetodites võimaldavad katses mõõdetud parameetrid arvutusvalemi abil saada soovitud soojusjuhtivusteguri väärtust. Suhtelistes meetodites võimaldavad katses mõõdetud parameetrid arvutamise valemi abil saada soojusjuhtivusteguri nõutavat väärtust. Suhteliste meetodite puhul ei piisa absoluutväärtuse arvutamiseks mõõdetud parameetritest. Siin on võimalikud kaks juhtumit. Esimene neist on soojusjuhtivuse koefitsiendi muutuse jälgimine algse suhtes, võttes ühtsuseks. Teine juhtum on teadaolevate soojusomadustega võrdlusmaterjali kasutamine. Sel juhul kasutatakse arvutusvalemis standardi soojusjuhtivuse koefitsienti. Suhtelistel meetoditel on mõned eelised absoluutsete meetodite ees, kuna need on lihtsamad. Statsionaarsete meetodite edasist jaotamist saab läbi viia vastavalt kuumutamise olemusele (väline, mahuline ja kombineeritud) ja vastavalt proovide temperatuurivälja isotermide tüübile (tasane, silindriline, sfääriline). Välise kuumutamisega meetodite alarühma kuuluvad kõik meetodid, mis kasutavad väliseid (elektrilisi, mahulisi jne) soojendeid ja proovipindade kuumutamist soojuskiirguse või elektronpommitusega. Mahulise kuumutamisega meetodite alarühm ühendab kõik meetodid, mis kasutavad kuumutamist proovi läbiva vooluga, uuritava proovi kuumutamist neutron- või z-kiirgusega või mikrolainevooludega. Kombineeritud kuumutamisega meetodite alamrühm võib hõlmata meetodeid, mis kasutavad samaaegselt proovide välist ja mahukuumutamist või vahepealset kuumutamist (näiteks kõrgsagedusvoolude abil).
Kõigis kolmes statsionaarsete meetodite alarühmas on temperatuuriväli
võib olla erinev.
Lamedad isotermid tekivad siis, kui soojusvoog on suunatud piki proovi sümmeetriatelge. Kirjanduses nimetatakse lamedaid isoterme kasutavaid meetodeid aksiaalse või pikisuunalise soojusvooga meetoditeks ja eksperimentaalseid seadistusi nimetatakse lameseadmeteks.
Silindrilised isotermid vastavad soojusvoo levimisele piki silindrilise proovi raadiust. Juhul, kui soojusvoog on suunatud piki sfäärilise proovi raadiust, tekivad sfäärilised isotermid. Selliseid isoterme kasutavaid meetodeid nimetatakse sfäärilisteks ja seadmeid sfäärilisteks.
21 Riigieelarve haridusasutus Moskva piirkonna "Dubna Rahvusvaheline Looduse, Ühiskonna ja Inimese Ülikool" (Dubna Ülikool) erialane kõrgharidus
2 CJSC Tehnilise Omandamise Piirkondadevaheline Tootmisühendus TECHNOKOMPLEKT (CJSC MPOTK TECHNOKOMPLEKT)
Välja on töötatud meetod polükristalliliste teemantplaatide soojusjuhtivuse mõõtmiseks. Meetod hõlmab kahe õhukese kilega takistustermomeetri paigaldamist, mis on valmistatud vastavalt sillaskeemile, plaadi vastaskülgedel. Ühest küljest kuumutatakse plaati ühe takistustermomeetri asukohas kokkupuutel kuuma vaskvardaga. Vastasküljel (teise takistustermomeetri asukohas) jahutatakse plaati kokkupuutel vesijahutusega vaskvardaga. Plaadi kaudu voolavat soojusvoogu mõõdetakse termopaaride abil, mis on paigaldatud kuumale vaskvardale ja reguleeritud automaatne seade. Vaakuumsadestamise meetodil sadestatud õhukese kilega takistustermomeetrite paksus on 50 nanomeetrit ja need on plaadi pinnaga peaaegu lahutamatud. Seetõttu vastavad mõõdetud temperatuurid täpselt plaadi vastaspindade temperatuuridele. Õhukese kilega takistustermomeetrite kõrge tundlikkuse tagab nende takistite suurenenud takistus, mis võimaldab kasutada vähemalt 20 V sildtoitepinget.
soojusjuhtivus
polükristallilised teemantplaadid
õhukese kilega silla temperatuuriandur
1. Bitjukov V.K., Petrov V.A., Terešin V.V. Poolläbipaistvate materjalide soojusjuhtivusteguri määramise metoodika // International Thermophysical School, Tambov, 2004. - Lk 3-9.
2. Duhnovski M.P., Ratnikova A.K. Meetod materjali termofüüsikaliste omaduste määramiseks ja seade selle rakendamiseks//RF patent nr 2319950 IPC G01N25/00 (2006).
3. Kolpakov A., Kartashev E. Toitemoodulite soojusrežiimide juhtimine. //Komponendid ja tehnoloogiad. - 2010. - nr 4. - S. 83-86.
4. Teemantpolükristalliliste kilede soojusjuhtivuse määramine fotoakustilise efekti abil // ZhTF, 1999. - V. 69. - Väljaanne. 4. - S. 97-101.
5. Pulbermaterjalide soojusjuhtivuse mõõtmise installatsioon // Kolmandale rahvusvahelisele konverentsile ja kolmandale rahvusvahelisele noorte teadlaste ja spetsialistide koolile esitatud aruannete kokkuvõtted "Vesiniku isotoopide interaktsioon ehitusmaterjalid» (INISM-07). - Sarov, 2007. - S. 311-312.
6. Tsarkova O.G. Metallide, keraamika ja teemantkilede optilised ja termofüüsikalised omadused kõrgtemperatuursel laserkuumutamisel // Üldfüüsika instituudi toimetised. A.M. Prokhorova, 2004. - T. 60. - C. 30-82.
7. Minituriseeritud õhukese kilega temperatuuriandur laia mõõtmisvahemiku jaoks // Proc. 2. IEEE rahvusvaheline seminar sensorite ja liideste edusammudest, IWASI. - 2007. - Lk.120-124.
Kaasaegsed elektroonikakomponendid, eriti jõuelektroonika, toodavad märkimisväärsel hulgal soojust. Nende komponentide töökindla töö tagamiseks töötatakse praegu välja jahutusradiaatoreid, mis kasutavad ülikõrge soojusjuhtivusega sünteetilisi teemantplaate. Nende materjalide soojusjuhtivuse täpne mõõtmine on tänapäevaste jõuelektroonikaseadmete loomisel väga oluline.
Soojusjuhtivuse mõõtmiseks vastuvõetava täpsusega peamise jahutusradiaatori suunas (risti plaadi paksusega) on polükristalliliste teemantjahutusradiaatori plaatide väga kõrge soojusjuhtivuse tõttu vaja proovi pinnale tekitada soojusvoog, mille pinnatihedus on vähemalt 20. Kirjanduses kirjeldatud meetodid, kasutades lasersüsteeme (vt ), annavad ebapiisava pinnasoojusvoo tiheduse 3,2 ja lisaks põhjustavad mõõdetud proovi ebasoovitavat kuumenemist. Meetodid soojusjuhtivuse mõõtmiseks, kasutades proovi pulsskuumutamist fokuseeritud kiirega, ja meetodid, mis kasutavad fotoakustilist efekti, ei ole otsesed meetodid ega suuda seetõttu tagada mõõtmiste nõutavat usaldusväärsuse ja täpsuse taset ning nõuavad ka keerulisi seadmeid ja tülikaid arvutusi. Töös kirjeldatud mõõtmismeetod, mis põhineb tasapinnaliste soojuslainete põhimõttel, sobib ainult suhteliselt madala soojusjuhtivusega materjalidele. Statsionaarse soojusjuhtivuse meetodit saab kasutada ainult soojusjuhtivuse mõõtmiseks piki plaati ja see suund ei ole soojuse eemaldamise peamine suund ega paku teaduslikku huvi.
Valitud mõõtmismeetodi kirjeldus
Statsionaarse soojusvoo nõutava pinnatiheduse saab tagada teemantplaadi ühel küljel oleva kuuma vaskvardaga ja teemantplaadi vastasküljel asuva külma vaskvardaga. Mõõdetud temperatuuride erinevus võib siis olla väike, näiteks ainult 2 °C. Seetõttu on vaja täpselt mõõta temperatuuri mõlemal pool plaati kokkupuutepunktides. Seda saab teha miniatuursete õhukese kilega takistustermomeetrite abil, mida saab valmistada termomeetri silla mõõteahela vaakum-sadestamise teel plaadi pinnale. Töös kirjeldatakse meie varasemaid kogemusi miniatuursete ülitäpse õhukese kilega takistustermomeetrite projekteerimisel ja valmistamisel, mis kinnitab selle tehnoloogia kasutamise võimalikkust ja kasulikkust meie puhul. Õhukese kilega termomeetrid on väga väikese paksusega 50–80 nm ja seetõttu ei erine nende temperatuur selle plaadi pinna temperatuurist, millele need on ladestunud. Kuuma vaskvarda kuumutatakse elektriisolatsiooniga nikroomtraadiga, mis on vajaliku soojusvõimsuse tagamiseks piisavalt pikalt ümber varda mähitud. Vaskvarda soojusjuhtivus tagab vähemalt 20 tihedusega soojusvoo ülekande varda teljesuunas. Seda soojusvoogu mõõdetakse kahe õhukese kromel-alumiiniumtermopaari abil, mis asuvad üksteisest etteantud kaugusel kahes osas piki varda telge. Plaati läbiv soojusvoog eemaldatakse vesijahutusega vaskvarda abil. Silikoonmääret DowCorningTC-5022 kasutatakse soojustakistuse vähendamiseks vasest varraste kokkupuutepunktides plaadiga. Soojuskontakti takistused ei mõjuta mõõdetud soojusvoo suurust, need põhjustavad plaadi ja küttekeha temperatuuri mõningast tõusu. Seega määratakse plaadi soojusjuhtivus soojuse eemaldamise põhisuunas plaati läbiva soojusvoo suuruse ja selle pindade temperatuuride erinevuse suuruse otseste mõõtmiste teel. Nende mõõtmiste jaoks võib kasutada prooviplaati, mille mõõtmed on umbes 8x8 mm.
Tuleb märkida, et õhukese kilega takistustermomeetreid saab edaspidi kasutada soojust eemaldavaid teemantplaate sisaldavate jõuelektroonika toodete töö jälgimiseks. Kirjanduses rõhutatakse ka toitemoodulite sisseehitatud soojusseire olulisust.
Stendi kujunduse, selle põhielementide ja seadmete kirjeldus
Õhukese kilega silla temperatuuriandurid
Temperatuuri ülitäpse mõõtmise jaoks kantakse magnetroni pihustamisega polükristallilise tehisteemanti plaadi pinnale takistustermomeetri sillaahel. Selles vooluringis on kaks takistit valmistatud plaatinast või titaanist ja ülejäänud kaks on valmistatud nikroomist. Kell toatemperatuuril kõigi nelja takisti takistused on ühesugused ja võrdsed. Mõelge juhtumile, kui kaks takistit on valmistatud plaatinast. Temperatuuri muutudes takistite takistus suureneb:
Vastupanu summad: . Silla takistus on . Signaali väärtus silla mõõtediagonaalil on võrdne: U m= I 1 R 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- I 4 R 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .
Väikese mitmekraadise temperatuurimuutuse korral võib eeldada, et silla kogutakistus on R0, sillaõlget läbiv vool on 0,5.U0/R0, kus U0 on silla toitepinge. Nende eelduste kohaselt saame mõõtesignaali väärtuse, mis on võrdne:
U m= 0,5. U 0 . 3,53.10 -3 Δ T= 1,765.10 -3 .U 0 Δ T.
Oletame, et väärtus Δ T= 2? C, siis toitepingel 20 V saame mõõtesignaali väärtuse, mis on võrdne U m\u003d 70 mV. Võttes arvesse, et mõõtevahendite viga ei ületa 70 μV, leiame, et plaadi soojusjuhtivust saab mõõta veaga, mis ei ole halvem kui 0,1%.
Pingutus- ja termistoride puhul võetakse hajutatud võimsuseks tavaliselt kuni 200 mW. 20 V toitepinge korral tähendab see, et silla takistus peab olema vähemalt 2000 oomi. Tehnoloogilistel põhjustel koosneb termistor n keermest, mille laius on 30 mikronit ja mis on üksteisest 30 mikroni kaugusel. Takisti keerme paksus on 50 nm. Takisti keerme pikkus on 1,5 mm. Siis on ühe plaatina keerme takistus 106 oomi. 20 plaatina keermest moodustavad takisti, mille takistus on 2120 oomi. Takisti laius on 1,2 mm. Ühe nikroomkeerme takistus on 1060 oomi. Seetõttu on nikroomtakistil 2 keerme ja 0,12 mm laius. Kui kaks takistit R 0 , R 3 on valmistatud titaanist, väheneb anduri tundlikkus 12%, kuid 20 plaatina hõõgniidi asemel saab takisti valmistada 4 titaanfilamendist.
Joonisel 1 on kujutatud õhukese kilega silla temperatuurianduri diagramm.
Joonis 1. Õhukese kilega silla temperatuuriandur
Plaadi näidis 1 on mõõtmetega 8x8 mm ja paksusega 0,25 mm. Mõõtmed vastavad plaatinatakistite ja nikroomtakistite kasutamisele. 2 takisti omavahelised ühendused (varjutatud), toitesiinide kontaktpadjad 3,4,5,6 ja mõõtmised on tehtud vask-nikkel juhtmetega. Ühelt poolt küttekeha 7 ja teiselt poolt jahuti vaskvardade kokkupuutering on 5 mm läbimõõduga. Joonisel 1 näidatud takistustermomeetri elektriahel on rakendatud näidisplaadi mõlemale küljele. Elektriisolatsiooniks kaetakse iga takistustermomeetri pind õhukese ränidioksiidi või ränioksiidi kilega vaakuumsadestamise abil.
Kütte- ja jahutusseadmed
Statsionaarse temperatuurierinevuse tekitamiseks teemantplaadi kahe pinna vahel kasutatakse küttekeha ja jahutit (joonis 2).
Riis. 2. Stendi skeem:
1 - korpus, 2 - jahutuskorpus, 3 - teemantplaat, 4 - küttevarras, 5 - nikroomtraat, 6 - klaas, 7 - soojusisolatsioon, 8 - mikromeetri kruvi, 9 - korpuse kate, 10 - Belleville vedru, 11, 12 - termopaarid, 13 - teraskuul,
14 - alusplaat, 15 - kruvi.
Keris koosneb elektriliselt isoleeritud nikroomtraadist 5, mis on keritud kerise 4 vaskvardale. Väljastpoolt on küttekeha suletud vasktoru 6, mis on ümbritsetud soojusisolatsiooniga 7. Alumises osas on vaskvarda 4 läbimõõt 5 mm ja varda 4 ots on kontaktis teemantplaadi 3 pinnaga. Vastasküljel on teemantplaat kontaktis veega jahutatud vasest korpuse 2 ülemise silindrilise osaga (jahutuskeha). 11,12-kromeel-alumiin termopaarid.
Tähistame termopaari 11 abil mõõdetud temperatuuri, - termopaari 12 abil mõõdetud temperatuuri, - temperatuuri plaadi 3 pinnal küttekeha poolelt, - temperatuuri plaadi 3 pinnal jahedama poole pealt ja - vee temperatuuri. Kirjeldatud seadmes toimuvad soojusvahetusprotsessid, mida iseloomustavad järgmised võrrandid:
(1)
( (2)
)
(4)
kus: - küttekeha elektrivõimsus,
Küttekeha efektiivsus,
vase soojusjuhtivus,
l on kontaktvarda pikkus,
d- kontaktvarda läbimõõt,
Plaadi 3 eeldatav soojusjuhtivus,
plaadi t paksus,
Vee kiiruse soojuse eemaldamise koefitsient,
jahutuspinna pindala,
Vee mahuline soojusmahtuvus,
D- jahutuskorpuses oleva veetoru läbimõõt,
Vee temperatuuri muutus.
Oletame, et plaadi temperatuuride erinevus on 2°C. Seejärel läbib plaati soojusvoog 20. 5 mm läbimõõduga vaskvardaga vastab see soojusvoog võimsusele 392,4 W. Võttes küttekeha kasuteguriks 0,5, saame kerise elektrivõimsuseks 684,8 W. Valemitest (3.4) järeldub, et vee temperatuur peaaegu ei muuda ja temperatuur teemantplaadi 3 pinnal on võrdne.
Vaskvarda 4 soojendamiseks kasutatakse isoleeritud nikroomtraati 5. Küttejuhtmete otsad väljuvad läbi soone osas 4. Küttejuhtmed ühendatakse läbi jämedamate vaskjuhtmete PR1500 triac elektrilise võimsusvõimendiga, mida juhib TPM148 regulaator. Kontrolleri programm seadistatakse vastavalt termopaari 11 poolt mõõdetud temperatuurile, mida kasutatakse kontrolleri tagasisidena.
Proovi jahutusseade koosneb vasest korpusest 2, mille ülaosas on 5 mm läbimõõduga kontaktsilinder. Juhtum 2 on vesijahutusega.
Soojendusseade on paigaldatud Belleville'i vedrule 10 ja on ühendatud peenkruvi 8 peaga kuuli 13 abil, mis asub detaili 4 süvendis. Vedru 10 võimaldab reguleerida pinget varda 4 kontaktis näidisega 3. See saavutatakse peenkruvi 8 ülemise pea pööramisega võtmega. Kruvi teatud liikumine vastab teadaolevale vedru jõule 10. Tehes vedru jõudude esialgse kalibreerimise ilma näidiseta varda 4 kokkupuutel korpusega 2, saame saavutada pindade hea mehaanilise kontakti lubatavate pingete juures. Kui on vaja täpset mõõtmist kontaktpinge aluse konstruktsiooni saab parandada, ühendades korpuse 2 kalibreeritud lehtvedrudega aluse 1 korpuse alumise osaga.
Termopaarid 11 ja 12 paigaldatakse, nagu on näidatud joonisel 2, kitsastes lõigetes varda 4 peas. 50 mikronise läbimõõduga termopaartraadi kromel ja alumell keevitatakse kokku ja kaetakse elektriisolatsiooniks epoksüliimiga, seejärel paigaldatakse selle lõikekohta ja kinnitatakse liimiga. Samuti on võimalik tihendada igat tüüpi termopaari juhtme ots üksteise lähedale ilma ristmikku moodustamata. 10 cm kaugusel õhukeste termopaari juhtmetest peate jootma paksemad (0,5 mm) samanimelised juhtmed, mis kinnitatakse regulaatori ja multimeetri külge.
Järeldus
Käesolevas töös kirjeldatud meetodit ja mõõteriistu kasutades on võimalik suure täpsusega mõõta sünteetiliste teemantplaatide soojusjuhtivuse koefitsienti.
Soojusjuhtivuse mõõtmise meetodi väljatöötamine toimub Haridus- ja Teadusministeeriumi rahalisel toel töö "Täiustatud tehnoloogiate ja intelligentsete jõuelektroonika toodete väljatöötamine kodu- ja tööstusseadmetes, transpordis, kütuse- ja energiakompleksis ning erisüsteemides (polükristallilise teemantjahutusradiaatoriga toitemoodul)" raames. Venemaa Föderatsioon 05.03.2014 riikliku lepingu nr 14.429.12.0001 alusel.
Arvustajad:
Akishin P.G., füüsika ja matemaatika doktor, vanemteadur (dotsent), osakonnajuhataja asetäitja, infotehnoloogia labor, Tuumauuringute ühendinstituut (JINR), Dubna;
Ivanov VV, füüsika-matemaatikadoktor, vanemteadur (dotsent), juhtivteadur, infotehnoloogia labor, Tuumauuringute ühendinstituut (JINR), Dubna.
Bibliograafiline link
Mioduševski P.V., Bakmaev S.M., Tingaev N.V. MATERJALI ÜLIKÕRGE SOOJUSJUHTIVUSE TÄPSELT MÕÕTMINE ÕHUKETEL PLAADITEL // Kaasaegsed küsimused teadus ja haridus. - 2014. - nr 5.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (juurdepääsu kuupäev: 01.02.2020). Juhime teie tähelepanu kirjastuse "Looduslooakadeemia" väljaantavatele ajakirjadele