RU9965U1 - Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов - Google Patents

Abstract

1. Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов содержит блок измерительный, состоящий из измерительной ячейки с входящими в нее нагревателем, термопарами, калиброванными медными теплоотводами, на торцы которых наносится легкоплавкий материал с известным коэффициентом теплопроводности и измеряемым образцом, источника питания нагревателя, теплостока, отличающееся тем, что для снижения погрешности измерения за счет обеспечения теплового равновесия все элементы блока помещения в единый корпус.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью оперативного контроля за процессами измерения теплопроводности, повышения точности, процессы измерения, учет ошибок и расчет коэффициента теплопроводности автоматизированы, при этом точность и экспрессность измерения составляет несколько секунд с относительной погрешностью 1 - 2%, полученной в результате учета контактного теплового сопротивления и мощности конвекции системы.

Description

АВТОРЫ;Аргунов К.П.

Попов И.Ю. Симаков С.В. Симакова О.В. Сотников А.Е.

G 01 N 25/8

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях промышленности для оценки теплопроводности материалов ( диэлектриков , полупроводников,металлов).

Особые требования для оценки теплопроводности материалов предъявляются в электронной технике,где необходимы гарантированные уровни йЬьЦИОсти приборов,что связано с теплопроводностью применяемых материалов.

Известны устройства для измерения теплопроводности материалов 1,2,3,4, которые основаны на классическом методе контроля путем измерения тепловых потоков и градиентов температур с прямым прижимным устройством образца к теплоотводу.

Наиболее новым из последних устройств является устройство для экспрессности контроля теплопроводности твердых тел,преимущественно кристаллов алмаза и алмазных изделий 1.

Сущность изобретения заключается в том,что устройство содержит алмазный наконечник и алмазную подложку,выполненные из безазотного алмаза с высокой теплопроводностью,между которыми размещается исследуемый образец.

Алмазный наконечник снабжен теплоотводом с микрохолодильником,а алмазная подложка снабжена транзистором-нагревателем.

Датчик температуры,контактирующий с теплооотводом,электрически связан с входом блока стабилизации температуры микрохолодильника,выход которого связан с входом микрохолодильника,выход эмиттер - база транзистора-нагревателя электрически связан с входом блока стабилизации температуры транзистора-нагревателя,которые связаны электрически с измерительным прибором.

При установлении теплового равновесия в транзисторе его коллекторное напряжение измеряется измерительным прибором.

Полученные значения используют для расчета коэффициента теплопроводности по формулам 1.

Недостаток устройства заключается в самой измерительной ячейке,так как она позволяет определять теплопроводность кристаллов очень малых размеров 0,2 - 0,3 мм и в узком интервале.Время определения 6-10 минут - снятие показаний с измерительного прибора,а расчет теплопроводности по формулам 1 занимает значительно большее время,в результате чего экспрессность замеров снижается.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является устройство для измерения теплопроводности твердых материалов,содержащее измерительную ячейку с входящим в нее нагревателем,термопарами,калиброванными медными теплоотводами и измеряемым образцом 2.

же большие потери по рассеиванию тепла в окружающее пространство,что не обеспечивает тепловое равновесие и точность измерений в устройствах.

Кроме того,в вышеуказанных устройствах отсутствует автоматический контроль за процессом измерения,учета ошибок и расчета теплопроводности.

Цель изобретения - повышение точности измерения теплопроводности и оперативного контроля за процессом измерения.

Поставленная цель достигается за счет снижения теплового сопротивления между контактируемыми деталями в устройстве,за счет обеспеченияя теплового равновесия в системе и автоматизации процессов измерения.

1.Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов содержит блок измерительный,состоящий из измерительной ячейки с входящими в нее нагревателем,термопарами,калиброванными медными теплоотводами и измеряемым образцом,из источника питания нагревателя и теплостока, и отличающееся тем,что для обеспечения теплового равновесия все вышеперечисленные элементы блока устройства помещены в единый корпус.

2.Устройство по п. 1,отличающееся тем,что для проведения оперативного контроля и получения высокой точности,процессы измерения,учета ошибок и расчета теплопроводности автоматизированы.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства для определения теплопроводности твердых материалов.

Устройство содержит блок измерительный 1 и плату ЛА-И24 2.

На фиг.2 приведена структурная схема блока измерительного.

Блок измерительный состоит из источника питания нагревателя 1,измерительной ячейки 2,теплостока 3 и корпуса 4.

На фиг.З приведены конструктивные элементы измерительной ячейки : нагреватель 1,калиброванные медные теплоотводы 2 (верхний и нижний), точечные хромель-капелевые термопары 3,измеряемый образец 4.

Прецизионная измерительная плата адаптера ЛА-И24 2(фиг.1) предназначена для высокоточного измерения медленно меняющихся сигналов и устанавливается в свободный слот ЭВМ.

Нагреватель 1 {фиг.3),обеспечивает необходимую величину теплового потока,которая задается и регулируется устройством управления нагревателем.Калиброванные теплоотводы 2 (фиг.З) выполнены из меди МООК и служат для определения величины теплового потока,прошедшего через образец.На каждом калиброванном теплоотводе 2 (фиг.З) установлены по две термопары 3 (фиг.З).С термопар напряжение,пропорциональное температуре (диапазон температур 25200 С), поступает на адаптер платы ЛА-И24,где преобразуется в цифровой код. Цифровой код передается на параллельный интерфейс ЭВМ.ЭВМ служит для расчета значения теплопроводности,ошибки измерения,коррекции мощности нагревателя,экстраполяции ошибки измерения.

При контроле теплопроводности измеряемый образец помещается между торцами калиброванных теплоотводов.Из таблицы выводимой на экран ЭВМ выбирается начальная мощность нагревателя.Тепловой поток, создаваемы и нагревателем проходит через верхний калиброванный теплоотвод,измеряемый образец, нижний калиброванный теплоотвод и поступает в общий теплосток.В результате этого создается градиент температур по калиброванным теплоотводам и между верхней и нижней гранью исследуемого образца.

Xi (dl X Qi)/(ATi X Sl), где dl - толщина измеряемого образца тепловой поток

ЛТ-j - перепад температур по измеряемому образцу Si - площадь поперечного сечения торца калиброванного теплоотвода Толщина образца ( d-i ) измеряется перед установкой образца в ячейку с помощью микрометра.Тепловой поток ( Q-) ) определяется как среднее значение тепловых потоков,прошедших через верхний и нижний теплоотводы с учетом потерь на конвекцию и излучение.

Qi (Q2 + Оз - Q2k - Q3k)/2 - Qik Q2 (ДТгх X2-S2)/d2; АТ2 Ti - 72 Оз (ДТзх .)/d2; АТз Ts - Те

Q2k (4 X А2 X тс X 075 X di X ((Т. - Tsr.)2,25 . (J. - J )2,25)/(9 x 72 - 9 x J.,)

Q3k (4 X A2 X Я X x d x ((Jg - Ts,)2.25 . (Jg - Тз,)2,25)/(9 x J - 9 x Jg)

k 8 X A2 X 71 X X d2

I 8 X A2 X 7Г X X (rJ2 + Г2/2)0.75 x (((r. - Гз)/2)2 + d32)0,5

m 8 X A2 X 71 X ГзО,75 X d4

Q,K ((k + I +m) X ((T - T,,)2.25 . (Тз - T,,)2,25))/(9 X T - 9 X Тз ) ,

2 - теплопроводность калиброванного теплоотвода ( )

82 - площадь сечения калиброванного теплоотвода

d2 - расстояние между термопарами на калиброванных теплоотводах

А2 - константа для расчета мощности конвекции

Q2k - мощность конвекции верхнего калиброванного теплоотвода

Оз(; - мощность конвекции нижнего калиброванного теплоотвода

- мощность конвекции образца

Tgr - температура среды ( Tg 25 ° С )

Г-| - диаметр теплоотвода

РЗ - диаметр торца теплоотвода

Перепад температур по образцу ( ATi Тз - Т4 ) определяют следующим образом.Калиброванные теплоотводы имеют на торцах легкоплавкий материал с известным коэффициентом теплопроводности.Устройство управления нагревателем работает таким образом,что сначала доводит температуры системы до плавления материала и после этого переводит ее на рабочий режим.В результате этого образец получается как бы вплавлен в торцы калиброванного теплоотвода на глубину 0,05 мм.Этот прием позволяет решить самую главную проблему - существенно снизить ошибку при измерении перепада температур за счет снижения теплового сопротивления.

Тз Т2 - (Qi с1з)/(Х2 8з)

T4(QiXd3)/(l2 5з)-Т5,

d3 - расстояние между точками Т2 ( TS ) и Тз ( Т4 )

5з (S2 + Si)/2

В предлагаемом устройстве предусмотрено автоматическое снятие замеров температур,расчет коэффициента теплопроводности по описанному выше математическому алгоритму,расчет случайной и систематической погрешности измерения,сравнение расчетной погрешности измерения с ожидаемой (экстраполяция), коррекция мощности нагревателя,если расчетная погрешность превышает ожидаемую.

Точность и экспрессность измерений с использованием предложенного устройства за счет автоматизации измерений после установления теплового равновесия составляет несколько секунд с относительной погрешностью 1-2%. Был и измерены образцы нитридной керамики,медные образцы.Результаты приведены в таблице 1

Таблица 1

В заключении следует,что конструкция предлагаемого устройства позволяет быстро оценить теплопроводность материалов (металлов,диэлектриков,полупроводников) с относительной погрешностью измерения 1-2%.Размеры образцов для измерений изготавливаются в зависимости от размеров измерительной ячейки и подколпачного устройства измерительного блока,преимущественно плоские.

Экономический эффект от использования предлагаемого устройства состоит в разбраковке материалов по коэффициенту теплопроводности и исключение брака изделий из них на ранних стадиях изготовления.

Совокупность признаков предлагаемого изобретения повышает эффективность использования материалов в технике.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод,что заявляемое устройство отличается от известного введением единого корпуса,который обеспечивает быстрое установление теплового равновесия,исключая рассеивание тепла в окружающую среду,и тем самым повышает точность измерения. Автоматизация процессов измерения теплопроводности позволяет производить систематический контроль за изменением температуры,определять момент установления теплового равновесия ,учет систематических погрешностей и введение поправок в результаты измерений.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Концевой Ю.А.,Зезин Р.Б. и др.

Устройство для контроля теплопроводности кристаллов алмаза и алмазных изделий. Патент СССР N 1804618.Открытия,изобретения.1993 г. N 11 .

2.Воронов О.А. и др.

Теплопроводность алмазных контактов,полученных с применением углеводов. Сверхтвердые материалы. 1987 г. N 6 .стр. 14-19

З.Воронов О.А.,Чеботарева Е.С.

Классический метод контроля теплопроводности на основе измерения тепловых потоков и градиентов температур.Сверхтвердые материалы. 1992 г. N 6 стр.9-12.

4.Концевой Ю.А.

Методы исследования свойств алмазов.Заводская лаборатория. 1995 г. N 4 стр.26.

Патентовед

) l/it

Рассказова В.Г.

2 г ол 9S

Авторы

. .-.Аргунов К.П.

Г/1 а уЪ i л

и;

Попов И.Ю.

Симаков с.в.

Симакова О.В. Сотников А.Е.

Claims (2)

1. Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов содержит блок измерительный, состоящий из измерительной ячейки с входящими в нее нагревателем, термопарами, калиброванными медными теплоотводами, на торцы которых наносится легкоплавкий материал с известным коэффициентом теплопроводности и измеряемым образцом, источника питания нагревателя, теплостока, отличающееся тем, что для снижения погрешности измерения за счет обеспечения теплового равновесия все элементы блока помещения в единый корпус.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью оперативного контроля за процессами измерения теплопроводности, повышения точности, процессы измерения, учет ошибок и расчет коэффициента теплопроводности автоматизированы, при этом точность и экспрессность измерения составляет несколько секунд с относительной погрешностью 1 - 2%, полученной в результате учета контактного теплового сопротивления и мощности конвекции системы.