способ определения теплопроводности материалов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения теплопроводности материалов, включающий одностороннее двухточечное тепловое зондирование поверхности образца с помощью двух разнотемпературных стержнеобразных зондов, измерение разности температур на неконтактирующих с образцом концах зондов и последующее определение теплопроводности по градуировочной зависимости, отличающийся тем, что разность температур на неконтактирующих с образцом концах зондов создают произвольно и дополнительно измеряют вторую разность температур на концах зондов, контактирующих с образцом, а искомую теплопроводность определяют по величине отношения двух измеренных значений разности температур соответственно на неконтактирующих и на контактирующих с образцом концах зондов.

2. Устройство для определения теплопроводности материалов, содержащее два стержнеобразных зонда, у которых два конца контактируют с поверхностью образца, а два других конца находятся в контакте с холодными и горячими поверхностями термоэлектрической батареи, две дифференциальные термопары с рабочими спаями, расположенными соответственно на контактирующих и неконтактирующих с образцом концах зондов, и подключенные к измерителю термоЭДС, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено источником постоянного тока, к выходу которого подключена термоэлектрическая батарея.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в тех отраслях, где требуется определение теплопроводности объемных, тонкослойных и пленочных, в том числе обладающих анизотропией теплопроводности материалов.

По авт. св. NN 1057830, 1644013 и 1749802 известны способы, позволяющие определять теплопроводность объемных изотропных материалов; теплопроводность ориентировочных тонкослойных и пленочных материалов с одновременным определением среднеобъемной теплопроводности, а также нормальной и тангенциальной ее составляющих; главных составляющих тензора теплопроводности анизотропных объемных материалов, степени анизотропии и среднеобъемной теплопроводности таких материалов соответственно.

Общим для всех трех этих способов является совокупность приемов, составляющих способ по авт.св. N 1057830 и заключающихся в двухточечном тепловом зондировании поверхности образца с помощью двух стержнеобразных зондов, изменении разности температур на неконтактирующих с образцом концах зондов до такой величины, при которой разность температур на концах зондов, контактирующих с образцом, становится равной заданной, и определении искомых характеристик по разности температур на неконтактирующих с образцом концах зондов, с использованием градуировочной зависимости, которая находится по результатам таких же опытов на стандартных образцах (мерах) теплопроводности, а также с применением соответствующих приемов и соотношений (авт.св. NN 1644013 и 1749802).

В соответствии с этим устройство для реализации известных способов содержит два выносных стержнеобразных зонда, у которых одни концы, снабженные специальными наконечниками, контактируют с поверхностью исследуемого образца, а другие с термоэлектрической батареей, автоматический регулятор разности температур зондов, на вход которого через задатчик постоянного компенсирующего напряжения подключена дифференциальная термопара с рабочими спаями, расположенными на концах зондов, контактирующих с образцом, а в цепь нагрузки включена термоэлектрическая батарея, схему измерения разности температур зондов, состоящую из второй дифференциальной термопары, подключенной к измерителю термоЭДС, с рабочими спаями на концах зондов, контактирующих с термоэлектрической батареей.

Несмотря на ряд достоинств этих способов и устройства для их осуществления, заключающихся в широких возможностях как по диапазону измерений, так и по классам исследуемых материалов, а также в высокой скорости и производительности измерений, они имеют недостатки. Точность измерений с их помощью зависит от точности регулирования и воспроизведения от опыта к опыту, в том числе при градуировке и измерений разности температур на контактирующих с образцом концах зондов. Поэтому даже при использовании высокоточного регулятора температуры не всегда удается получить требуемую точность определения теплопроводности. Кроме того, использование высокоточного регулятора усложняет как процесс измерения, так и само устройство, с помощью которого эти измерения осуществляются. Помимо этого при точном регулировании требуется дополнительное время на достижение заданного уровня регулирования искомой разности температур, что снижает скорость и производительность измерений.

Технической задачей изобретения является повышение точности и производительности измерений.

Указанная задача достигается тем, что в способе, включающем двухточечное тепловое зондирование поверхности образца с помощью двух стержнеобразных разнотемпературных зондов и определение искомых характеристик с использованием градуировочнойзависимости, полученной с помощью стандартных образцов или мер теплопроводности, также с использованием соответствующих приемов и соотношений, разность температур на неконтактирующих с образцом концах зондов создают произвольную в пределах допускаемого перепада температур в образце между точками зондирования и измеряют две разности температур одну из неконтатирующих с образцом концах зондов, другую на концах зондов, контактирующих с образцом, а искомые характеристики определяют по величине отношения измеренных значений этих двух разностей температур.

В устройстве для осуществления предлагаемого способа, содержащем два стержнеобразных зонда, у которых один концы контактируют с поверхностью образца, а другие с термоэлектрической батареей, эта цель достигается тем, что термоэлектрическая батарея подключена к выходу источника постоянного по характеру и по величине тока, а две дифференциальные термопары с рабочими спаями каждая на одноименных концах зондов подключены к измерителю двух термоЭДС или к измерителю отношений двух термоЭДС.

При таком выполнении способа по основным изобретениям, а именно благодаря созданию на неконтактирующих с образцом концах зондов произвольной разности температур вне зависимости от разности температур, которая возникает на концах зондов, контактирующих с образцом, исключается необходимость строгого регулирования этой или другой разности температур зондов и точного поддержания ее на необходимом уровне, а также воспроизводить ее с высокой точностью от опыта к опыту, в том числе при градуировке и измерении. А это дает возможность упростить и ускорить процесс измерения. Однако это становится возможным не только с ущербом в точности измерений, но напротив с повышением точности, в том случае, если будет выполнен второй и третий признаки. А именно, если будут точно измерены две разности температур одна та, которая произвольно создана и установилась на неконтактирующих с образцом концах зондов, и другая та, которая возникла и установилась при этом на концах зондов, контактирующих с образцом. Причем, если определение искомых характеристик по основным изобретениям будет осуществлено по величине отношения полученных в результате измерений значений этих двух разностей температур. При этом повышение точности определения искомых теплофизических характеристик по основным изобретениям достигаетсяблагодаря тому, что, как показали теоретические и экспериментальные исследования, величина отношения измеряемых разностей температур однозначно зависит от теплопроводности образца и не зависит от значений самих разностей температур в указанных точках зондов. И это справедливо при любых разностях температур зондов, как при сколь угодно больших, так и при сколь угодно малых. Однако создание больших разностей температур на зондах приводит и к возникновению больших перепадов температур в образце между точками зондирования, что в ряде случаев и для ряда материалов нежелательно, в том числе в случае сильной зависимости теплопроводности образца от температуры. Этим объясняется ограничение величины создаваемой произвольно разности температур на неконтатирующих с образцом концах зондов.

Такое выполнения способов по основным изобретениям позволяет существенно упростить и устройство для их реализации. Так возможность создавать в каждом отдельном опыте любую производительную разность температур на неконтактирующих с образцом концах зондов дает возможность исключить использование высокоточного регулятора температуры и применять вместо него "простой" источник постоянного по характеру и по величине тока, к выходу которого подключается, например, термоэлектрическая батарея, с помощью которой в настоящем изобретении, как и в основных, создается разность температур зондов. Для измерения же двух разностей температур достаточно подключить обе термопары к измерителю двух термоЭДС или непосредственно к измерителю отношений двух термоЭДС. Все это открывает возможность создания устройства для осуществления способов по основным изобретениям в виде, например, переносного прибора, обладающего к тому же более высокой точностью и производительностью измерений по сравнению с известным.

Во всем этом заключается техническая новизна и полезность заявляемых способа и устройства.

На чертеже показана устройство для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит два стержнеобразных зонда 1, у которых один концы специальными наконечниками 2 контактируют с поверхностью образца 3. Другие концы зондов установлены в медные пластинки 4 и прикреплены к холодной и горячей поверхностям термоэлектрической батареи 5, подключенной к выходу источника постоянногопо характеру и по величине тока 6. Две дифференциальные термопары 7 и 8 с рабочими спаями соответственно на контактирующих с образцом концах зондов и на медных пластинках подключены к измерителю 9 двух термоЭДС или измерителя непосредственно отношений двух термоЭДС.

Процесс измерения предлагаемым способом с помощью этого устройства осуществляется следующим образом.

Зонды 1 наконечниками 2 приводятся в контакт с поверхностью образца 3 и включается источник 6, что вызовет появление и установление на поверхностях термобатареи 5 и, следовательно, на медных пластинках 4 некоторой разности температур, которая зависит помимо величины пропускаемого через термобатарею электрического тока еще от множества факторов, в том числе от теплопроводности образца и температуры окружающего воздуха. Эту установившуюся и пока неопределенную разность температур, а также разность температур на других, контактирующих с образцом концах зондов, регистрируют с помощью дифференциальных термопар 7, 8 и измерителем 9 термоЭДС. После чего искомые теплофизические характеристики по основным изобретениям определяют по величине отношения полученных разностей температур или непосредственно по величине отношения измеренных термоЭДС, если две применяемые термопары идентичны.

Способ и устройство опробованы и подтвердили свою эффективность. При испытаниях использовались зонды с параметрами, что и в основных изобретениях. Создаваемая разность температур на неконтактирующих с образцом концах зондов варьировались в пределах 1^oC50 К. При этом величина отношения двух регистрируемых разностей температур зондов в опытах на одном образце оставалась постоянной в пределах суммарной погрешности измерений разностей температур. Градуировочная же зависимость, как зависимость величины отношения разностей температур от теплопроводности образца, найденная с помощью мер теплопроводности, имеет характер, идентичный характеру градуировочной зависимости по основному изобретению.