Seperti yang dipersyaratkan hukum federal Persyaratan No. 261-FZ "Pada Penghematan Energi" untuk konduktivitas termal bangunan dan bahan isolasi termal di Rusia telah diperketat. Saat ini, pengukuran konduktivitas termal adalah salah satu poin wajib ketika memutuskan apakah akan menggunakan bahan sebagai isolator panas.

Mengapa perlu mengukur konduktivitas termal dalam konstruksi?

Kontrol konduktivitas termal bahan bangunan dan insulasi termal dilakukan pada semua tahap sertifikasi dan produksinya dalam kondisi laboratorium, ketika bahan terkena berbagai faktor yang memengaruhi sifat kinerjanya. Ada beberapa metode umum untuk mengukur konduktivitas termal. Untuk pengujian laboratorium yang akurat dari bahan dengan konduktivitas termal rendah (di bawah 0,04 - 0,05 W / m * K), disarankan untuk menggunakan instrumen yang menggunakan metode aliran panas stasioner. Penggunaannya diatur oleh GOST 7076.

Perusahaan "Interpribor" menawarkan pengukur konduktivitas termal, yang harganya sebanding dengan yang tersedia di pasaran dan memenuhi semua persyaratan modern. Ini dimaksudkan untuk kontrol kualitas laboratorium bahan bangunan dan isolasi panas.

Keuntungan dari meteran konduktivitas termal ITS-1

Pengukur konduktivitas termal ITS-1 memiliki desain monoblok asli dan memiliki keunggulan sebagai berikut:

• siklus pengukuran otomatis;
• jalur pengukuran presisi tinggi yang memungkinkan Anda menstabilkan suhu lemari es dan pemanas;
• kemungkinan mengkalibrasi perangkat untuk jenis bahan tertentu yang sedang dipelajari, yang selanjutnya meningkatkan akurasi hasil;
• mengungkapkan evaluasi hasil dalam proses melakukan pengukuran;
• zona keamanan "panas" yang dioptimalkan;
• tampilan grafis informatif yang menyederhanakan kontrol dan analisis hasil pengukuran.

ITS-1 dipasok dalam satu-satunya modifikasi dasar, yang, atas permintaan klien, dapat dilengkapi dengan sampel kontrol (kaca plexiglass dan plastik busa), kotak untuk bahan curah dan kasing pelindung untuk menyimpan dan mengangkut perangkat.

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 A.V. Luzina, A.V. Rudin

PENGUKURAN KONDUKTIVITAS TERMAL SAMPEL LOGAM DENGAN METODE ALIRAN PANAS STASIUN

Anotasi. Tekniknya dijelaskan dan fitur desain instalasi untuk mengukur konduktivitas termal sampel logam yang dibuat dalam bentuk batang silinder homogen atau pelat persegi panjang tipis dengan metode aliran panas stasioner. Pemanasan sampel uji dilakukan dengan pemanasan listrik langsung dengan pulsa pendek arus bolak-balik, dipasang pada klem arus tembaga besar, yang secara bersamaan melakukan fungsi heat sink.

Kata kunci: koefisien konduktivitas termal, sampel, hukum Fourier, perpindahan panas stasioner, alat ukur, trafo, multimeter, termokopel.

pengantar

Perpindahan energi panas dari bagian padat yang lebih panas ke bagian yang kurang panas melalui partikel yang bergerak secara acak (elektron, molekul, atom, dll.) disebut fenomena konduktivitas termal. Studi tentang fenomena konduktivitas termal banyak digunakan di berbagai industri industri, seperti: minyak, dirgantara, otomotif, metalurgi, pertambangan, dll.

Ada tiga jenis utama perpindahan panas: konveksi, radiasi termal dan konduktivitas termal. Konduktivitas termal tergantung pada sifat zat dan keadaan fisiknya. Dalam hal ini, dalam cairan dan padatan (dielektrik), transfer energi dilakukan oleh gelombang elastis, dalam gas - dengan tumbukan dan difusi atom (molekul), dan dalam logam - dengan difusi elektron bebas dan dengan bantuan getaran termal. dari kisi. Perpindahan panas dalam suatu benda tergantung pada apakah benda itu berwujud gas, cair, atau padat.

Mekanisme konduksi panas dalam cairan berbeda dari mekanisme konduksi panas dalam gas dan memiliki banyak kesamaan dengan konduksi panas padatan. Di daerah dengan suhu tinggi ada getaran molekul dengan amplitudo besar. Getaran ini ditransmisikan ke molekul yang berdekatan, dan dengan demikian energi gerak termal ditransfer secara bertahap dari lapisan ke lapisan. Mekanisme ini memberikan nilai konduktivitas termal yang relatif kecil. Dengan meningkatnya suhu, untuk sebagian besar cairan, konduktivitas termal menurun (pengecualian adalah air dan gliserin, di mana konduktivitas termal meningkat dengan meningkatnya suhu).

Fenomena perpindahan energi kinetik melalui gerak molekuler pada gas ideal disebabkan oleh perpindahan panas melalui konduksi panas. Karena keacakan gerakan molekul, molekul bergerak ke segala arah. Pindah dari tempat dengan lebih banyak suhu tinggi ke tempat-tempat dengan suhu yang lebih rendah, molekul, karena tumbukan berpasangan, mentransfer energi kinetik gerak. Sebagai hasil dari gerakan molekuler, terjadi pemerataan suhu secara bertahap; dalam gas yang dipanaskan secara tidak merata, perpindahan panas adalah transfer sejumlah energi kinetik selama pergerakan molekul secara acak (kacau). Dengan penurunan suhu, konduktivitas termal gas menurun.

Dalam logam, pemancar panas utama adalah elektron bebas, yang dapat disamakan dengan gas monoatomik yang ideal. Oleh karena itu, dengan beberapa pendekatan

Koefisien konduktivitas termal bahan bangunan dan insulasi panas meningkat dengan meningkatnya suhu, dan dengan peningkatan kerapatan curah, itu meningkat. Koefisien konduktivitas termal sangat tergantung pada porositas dan kadar air bahan. Konduktivitas termal berbagai bahan bervariasi dalam kisaran: 2-450 W / (m K) .

1. Persamaan panas

Hukum konduksi panas didasarkan pada hipotesis Fourier tentang proporsionalitas aliran panas dengan perbedaan suhu per satuan panjang jalur perpindahan panas per satuan waktu. Secara numerik, koefisien konduktivitas termal sama dengan jumlah panas yang mengalir per satuan waktu melalui permukaan satuan, dengan penurunan suhu per satuan panjang normal sama dengan satu derajat.

Menurut hukum Fourier, kerapatan fluks panas permukaan h sebanding dengan

gradien suhu akhir -:

Di sini faktor X disebut koefisien konduktivitas termal. Tanda minus menunjukkan bahwa panas dipindahkan ke arah penurunan suhu. Jumlah panas yang telah melewati per satuan waktu melalui satuan permukaan isotermal disebut kerapatan fluks panas:

Jumlah panas yang lewat per satuan waktu melalui permukaan isotermal B disebut fluks panas:

O = | chB = -1 -kdP^B. (1.3)

Jumlah total panas yang telah melewati permukaan ini S selama waktu t ditentukan dari persamaan

Dari=-DL-^t. (1.4)

2. Kondisi batas untuk konduktivitas termal

Ada berbagai kondisi untuk keunikan: geometris - mencirikan bentuk dan dimensi tubuh tempat proses konduksi panas berlangsung; fisik - mencirikan sifat fisik tubuh; sementara - mencirikan distribusi suhu tubuh pada saat awal waktu; batas - mencirikan interaksi tubuh dengan lingkungan.

Kondisi batas jenis pertama. Dalam hal ini, distribusi suhu pada permukaan tubuh diatur untuk setiap momen waktu.

Kondisi batas jenis kedua. Dalam hal ini, nilai kerapatan fluks panas untuk setiap titik permukaan tubuh setiap saat diberikan:

Yara \u003d I (X, Y, 2.1).

Kondisi batas jenis ketiga. Dalam hal ini, suhu media T0 dan kondisi untuk pertukaran panas media ini dengan permukaan tubuh diatur.

Kondisi batas jenis IV dibentuk berdasarkan persamaan fluks panas yang melewati permukaan kontak benda.

3. Penyiapan eksperimental untuk mengukur konduktivitas termal

Metode modern untuk menentukan koefisien konduktivitas termal dapat dibagi menjadi dua kelompok: metode aliran panas stasioner dan metode aliran panas non-stasioner.

Pada metode kelompok pertama, fluks panas yang melewati suatu benda atau sistem benda tetap konstan dalam besar dan arah. Medan suhu stasioner.

Metode rezim non-stasioner menggunakan medan suhu yang bervariasi terhadap waktu.

Dalam karya ini, salah satu metode aliran panas stasioner, metode Kohlrausch, digunakan.

Diagram blok instalasi untuk mengukur konduktivitas termal sampel logam ditunjukkan pada gambar. satu.

Beras. 1. Blok diagram dari pengaturan pengukuran

Elemen utama instalasi adalah transformator step-down daya 7, belitan primer yang terhubung ke autotransformator tipe LATR 10, dan belitan sekunder, terbuat dari bus tembaga persegi panjang dengan enam putaran, terhubung langsung ke klem arus tembaga besar 2, yang secara bersamaan melakukan fungsi pendingin-lemari es . Sampel uji 1 dipasang pada klem arus tembaga masif 2 dengan bantuan baut tembaga masif (tidak ditunjukkan pada gambar), yang secara bersamaan menjalankan fungsi heat sink. Kontrol suhu di berbagai titik sampel uji dilakukan menggunakan termokopel chromel-copel 3 dan 5, ujung kerjanya dipasang langsung pada permukaan silinder sampel 1 - satu di bagian tengah sampel, dan yang lainnya pada akhir sampel. Ujung bebas termokopel 3 dan 5 dihubungkan ke multimeter tipe DT-838 4 dan 6, yang memungkinkan pengukuran suhu dengan akurasi 0,5 °C. Sampel dipanaskan dengan pemanasan listrik langsung dengan pulsa pendek arus bolak-balik dari belitan sekunder transformator daya 7. Pengukuran arus dalam sampel uji dilakukan secara tidak langsung - dengan mengukur tegangan pada belitan sekunder cincin transformator arus 8, belitan primer yang merupakan bus daya dari belitan sekunder transformator daya 7 melewati celah bebas inti magnet berbentuk cincin. Pengukuran tegangan belitan sekunder transformator arus dilakukan dengan multimeter 9.

Perubahan besaran arus pulsa pada sampel uji dilakukan dengan menggunakan linear autotransformer 10 (LATR), belitan primer yang dihubungkan ke jaringan AC dengan tegangan 220 V melalui sekering listrik yang dihubungkan seri 13 dan tombol 12. Penurunan tegangan pada sampel uji dalam mode pemanasan listrik langsung dilakukan dengan menggunakan multimeter 14 yang terhubung secara paralel langsung ke klem arus 2. Durasi pulsa arus diukur menggunakan stopwatch listrik 11 yang terhubung ke belitan utama autotransformator linier 10. Menghidupkan dan mematikan mode pemanasan sampel uji disediakan oleh tombol 12.

Saat melakukan pengukuran koefisien konduktivitas termal pada instalasi yang dijelaskan di atas, kondisi berikut harus dipenuhi:

Homogenitas bagian sampel uji sepanjang keseluruhan;

Diameter benda uji harus antara 0,5 mm dan 3 mm (jika tidak, diameter utama) daya termal akan menonjol di transformator daya, tidak dalam sampel uji).

Diagram ketergantungan suhu pada panjang sampel ditunjukkan pada gambar. 2.

Beras. 2. Ketergantungan suhu pada panjang sampel

Seperti dapat dilihat dari diagram, ketergantungan suhu pada panjang sampel yang diteliti adalah linier dengan maksimum yang diucapkan di bagian tengah sampel, dan di ujungnya tetap minimal (konstan) dan sama dengan suhu lingkungan. selama interval waktu untuk menetapkan mode perpindahan panas kesetimbangan, yang untuk instalasi eksperimental ini tidak melebihi 3 menit, yaitu. 180 detik.

4. Turunan dari rumus kerja untuk koefisien konduktivitas termal

Jumlah panas yang dilepaskan dalam konduktor selama aliran arus listrik dapat ditentukan oleh hukum Joule-Lenz:

Qel = 12-I^ = dan I I, (4.1)

di mana u, I - tegangan dan kekuatan arus dalam sampel uji; Saya adalah resistensi sampel.

Jumlah panas yang ditransfer melalui bagian melintang sampel yang diteliti untuk selang waktu t, dibuat dalam bentuk batang silinder homogen dengan panjang t dan penampang 5, dapat dihitung menurut hukum Fourier (1.4):

Qs \u003d R-dT- 5-t, (4.2)

di mana 5 \u003d 2-5 dasar, 5 dasar \u003d ^ 4-, di \u003d 2-DT \u003d 2- (Gmax -Gtk1); dt = Dt = 1-t.

Di sini, koefisien 2 dan 1/2 menunjukkan bahwa fluks panas diarahkan dari

dari pusat sampel ke ujungnya, yaitu terbagi menjadi dua aliran. Kemudian

^^b \u003d S-R-(Gmax -Tm | n) -B^. (4.3)

5. Menghitung kehilangan panas pada permukaan samping

Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

dimana Bbok = n-th-1; a adalah koefisien perpindahan panas permukaan sampel uji dengan lingkungan, yang memiliki dimensi

perbedaan suhu

DGx \u003d Tx - T0cr, (5.2)

di mana Tx adalah suhu pada titik tertentu pada permukaan sampel; Gocr - suhu lingkungan, dapat dihitung dari persamaan linier ketergantungan suhu sampel pada panjangnya:

Tx = T0 + k-x, (5.3)

di mana koefisien sudut k dapat ditentukan melalui garis singgung kemiringan ketergantungan linier suhu sampel pada panjangnya:

DT T - T T - T

k \u003d f \u003d MT * \u003d Tmax Ttt \u003d 2 "maks Vr. (5.4)

Mengganti ekspresi (5.2), (5.3) dan (5.4) ke dalam persamaan (5.1), kita memperoleh:

SQaup \u003d 2a-nd■ dx■ (+ kx-T0Kr) dt,

dimana T0 Tszhr.

8Q0Kp = 2a.nd kx dx dt. (5.5)

Setelah mengintegrasikan ekspresi (5.5), kami memperoleh:

Q0Kp = 2nd■ dk j jdt x■ dx = 2nd-a-k■-I - | t = -4a^nd■ k■ I2 t. (5.6)

Mengganti persamaan yang diperoleh (4.1), (4.3) dan (5.6) ke dalam persamaan keseimbangan panas

UIt = 8 ■X S^ ^^-o t + -a^n d -(Tmax - To) t.

Memecahkan persamaan yang dihasilkan sehubungan dengan koefisien konduktivitas termal, kami memperoleh:

u1 a £2 , l

Ekspresi yang dihasilkan memungkinkan untuk menentukan koefisien konduktivitas termal batang logam tipis sesuai dengan perhitungan yang dilakukan untuk sampel tipikal yang diteliti dengan kesalahan relatif

AU f (AI f (L(LH) ^ (At2 .)

tidak melebihi 1,5%.

Bibliografi

1. Sivukhin, D. V. Kursus umum fisika / D. V. Sivukhin. - M. : Nauka, 1974. - T. 2. - 551 hal.

2. Rudin, A. V. Investigasi proses relaksasi struktural pada objek pembentuk kaca di bawah kondisi pendinginan yang berbeda / A. V. Rudin // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. wilayah Volga. Ilmu pengetahuan Alam. - 2003. - No. 6. - S. 123-137.

3. Pavlov, P. V. Fisika keadaan padat: buku teks. manual untuk siswa yang belajar dalam spesialisasi "Fisika" / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: Lebih tinggi. sekolah, 1985. - 384 hal.

4. Berman, R. Konduktivitas termal padatan / R. Berman. - M., 1979. - 287 hal.

5. Livshits, B. G. Sifat fisik logam dan paduan / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - M.: Metalurgi, 1980. - 320 hal.

Luzina Anna Vyacheslavovna Luzina Anna Vyacheslavovna

sarjana, mahasiswa magister,

Universitas Negeri Penza Universitas Negeri Penza Email: [dilindungi email]

Rudin Alexander Vasilievich

Kandidat Ilmu Fisika dan Matematika, Associate Professor, Wakil Kepala Departemen Fisika, Penza State University E-mail: [dilindungi email]

Rudin Alexander Vasil"evich

kandidat ilmu fisika dan matematika, profesor,

wakil kepala sub-jurusan fisika, Universitas Negeri Penza

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 Luzina, A.V.

Pengukuran konduktivitas termal sampel logam dengan metode aliran panas stasioner /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Buletin Penza Universitas Negeri. - 2016. - No. 3 (15). -DARI. 76-82.

2

1 APBN lembaga pendidikan pendidikan profesional yang lebih tinggi di wilayah Moskow "Universitas Alam Internasional, Masyarakat dan Manusia "Dubna" (Universitas "Dubna")

2 Asosiasi Produksi Antar Daerah CJSC untuk Akuisisi Teknis TECHNOKOMPLEKT (CJSC MPOTK TECHNOKOMPLEKT)

Sebuah metode untuk mengukur konduktivitas termal pelat berlian polikristalin telah dikembangkan. Metode ini mencakup penerapan dua termometer resistansi film tipis, yang dibuat sesuai dengan skema jembatan, pada sisi pelat yang berlawanan. Di satu sisi, di lokasi salah satu termometer resistansi, pelat dipanaskan melalui kontak dengan batang tembaga panas. Di sisi yang berlawanan (di lokasi termometer resistansi lain), pelat didinginkan melalui kontak dengan batang tembaga berpendingin air. Fluks panas yang mengalir melalui pelat diukur dengan termokopel yang dipasang pada batang tembaga panas dan dikendalikan oleh perangkat otomatis. Termometer resistansi film tipis yang diendapkan dengan metode deposisi vakum memiliki ketebalan 50 nanometer dan hampir menyatu dengan permukaan pelat. Oleh karena itu, suhu yang diukur sesuai dengan suhu pada permukaan pelat yang berlawanan. Sensitivitas tinggi termometer resistansi film tipis dipastikan dengan peningkatan resistansi resistornya, yang memungkinkan untuk menggunakan tegangan suplai jembatan setidaknya 20 V.

konduktivitas termal

piring berlian polikristalin

sensor suhu jembatan film tipis

1. Bityukov V.K., Petrov V.A., Tereshin V.V. Metodologi untuk menentukan koefisien konduktivitas termal bahan tembus cahaya // International Thermophysical School, Tambov, 2004. - P. 3-9.

2. Dukhnovsky M.P., Ratnikova A.K. Metode untuk menentukan karakteristik termofisika bahan dan perangkat untuk penerapannya // Paten RF No. 2319950 IPC G01N25/00 (2006).

3. Kolpakov A., Kartashev E. Kontrol rezim termal modul daya. //Komponen dan teknologi. - 2010. - No. 4. - S.83-86.

4. Penentuan konduktivitas termal film polikristalin berlian menggunakan efek fotoakustik // ZhTF, 1999. - V. 69. - Edisi. 4. - S.97-101.

5. Instalasi untuk mengukur konduktivitas termal bahan bubuk // Abstrak laporan yang disajikan di Ketiga konferensi Internasional dan Sekolah Internasional Ketiga untuk Ilmuwan dan Spesialis Muda "Interaksi Isotop Hidrogen dengan Bahan Struktural" (INISM-07). - Sarov, 2007. - S. 311-312.

6. Tsarkova O.G. Sifat optik dan termofisika logam, keramik, dan film berlian selama pemanasan laser suhu tinggi // Prosiding Institut Fisika Umum. A.M. Prokhorova, 2004. - T. 60. - C. 30-82.

7. Sensor suhu film tipis yang diperkecil untuk berbagai pengukuran // Proc. dari lokakarya Internasional IEEE ke-2 tentang kemajuan sensor dan antarmuka, IWASI. - 2007. - H.120-124.

Komponen elektronik modern, terutama elektronika daya, menghasilkan panas dalam jumlah yang signifikan. Untuk memastikan pengoperasian yang andal dari komponen ini, perangkat heat sink saat ini sedang dikembangkan yang menggunakan pelat berlian sintetis dengan konduktivitas termal ultra-tinggi. Pengukuran yang akurat dari konduktivitas termal dari bahan-bahan ini sangat penting untuk menciptakan perangkat modern elektronika daya.

Untuk mengukur konduktivitas termal dengan akurasi yang dapat diterima dalam arah heat sink utama (tegak lurus dengan ketebalan pelat), perlu dibuat fluks panas pada permukaan sampel dengan kerapatan permukaan minimal 20 karena konduktivitas termal yang sangat tinggi dari pelat pendingin berlian polikristalin. Metode yang dijelaskan dalam literatur, menggunakan sistem laser (lihat ), memberikan kerapatan fluks panas permukaan yang tidak mencukupi sebesar 3,2 dan, sebagai tambahan, menyebabkan pemanasan yang tidak diinginkan dari sampel yang diukur. Metode untuk mengukur konduktivitas termal menggunakan pemanasan berdenyut sampel dengan sinar terfokus, dan metode yang menggunakan efek fotoakustik, bukanlah metode langsung, dan oleh karena itu tidak dapat memberikan tingkat keandalan dan akurasi pengukuran yang diperlukan, dan juga memerlukan peralatan yang rumit dan perhitungan yang rumit . Metode pengukuran yang dijelaskan dalam makalah ini, yang didasarkan pada prinsip gelombang termal bidang, hanya cocok untuk bahan dengan konduktivitas termal yang relatif rendah. Metode konduktivitas termal stasioner hanya dapat digunakan untuk mengukur konduktivitas termal pada arah sepanjang pelat, dan arah ini bukan merupakan arah utama pelepasan panas dan tidak menarik secara ilmiah.

Deskripsi metode pengukuran yang dipilih

Kepadatan permukaan yang diperlukan dari fluks panas stasioner dapat disediakan dengan mengontak batang tembaga panas di satu sisi pelat berlian dan menghubungi batang tembaga dingin di sisi berlawanan pelat berlian. Perbedaan suhu yang terukur dapat menjadi kecil, misalnya hanya 2 °C. Oleh karena itu, perlu untuk mengukur suhu di kedua sisi pelat secara akurat pada titik-titik kontak. Hal ini dapat dilakukan dengan bantuan termometer resistensi film tipis mini, yang dapat dibuat dengan deposisi vakum dari rangkaian pengukuran jembatan termometer ke permukaan pelat. Makalah ini menjelaskan pengalaman kami sebelumnya dalam desain dan pembuatan termometer resistensi film tipis miniatur presisi tinggi, yang menegaskan kemungkinan dan kegunaan menggunakan teknologi ini dalam kasus kami. Termometer film tipis memiliki ketebalan yang sangat kecil yaitu 50–80 nm, dan oleh karena itu suhunya tidak berbeda dari suhu permukaan pelat tempat mereka disimpan. Batang tembaga panas dipanaskan oleh isolasi listrik kawat nikrom melilit batang ini untuk waktu yang cukup lama untuk memastikan pasokan daya termal yang diperlukan. Konduktivitas termal batang tembaga memastikan transfer fluks panas dengan kerapatan setidaknya 20 dalam arah aksial batang. Fluks panas ini diukur dengan menggunakan dua termokopel kromel-alumel tipis yang terletak pada jarak tertentu satu sama lain dalam dua bagian sepanjang sumbu batang. Fluks panas yang melewati pelat dihilangkan dengan menggunakan batang tembaga berpendingin air. Gemuk silikon DowCorningTC-5022 digunakan untuk mengurangi hambatan termal pada titik kontak batang tembaga dengan pelat. Resistansi kontak termal tidak mempengaruhi besarnya fluks panas yang diukur, mereka menyebabkan sedikit peningkatan suhu pelat dan pemanas. Dengan demikian, konduktivitas termal pelat dalam arah utama pelepasan panas ditentukan oleh pengukuran langsung besarnya fluks panas yang melewati pelat dan besarnya perbedaan suhu pada permukaannya. Untuk pengukuran ini, pelat sampel dengan dimensi sekitar 8x8mm dapat digunakan.

Perlu dicatat bahwa termometer resistansi film tipis dapat digunakan di masa depan untuk memantau pengoperasian produk elektronika daya yang mengandung pelat berlian penghilang panas. Literatur juga menekankan pentingnya pemantauan termal built-in modul daya.

Deskripsi desain dudukan, elemen dan perangkat utamanya

Sensor suhu jembatan film tipis

Untuk pengukuran suhu presisi tinggi, sirkuit jembatan dari termometer resistansi diendapkan pada permukaan pelat berlian buatan polikristalin dengan sputtering magnetron. Di sirkuit ini, dua resistor terbuat dari platinum atau titanium, dan dua lainnya terbuat dari nichrome. Pada suhu kamar hambatan dari keempat resistor adalah sama dan sama. Pertimbangkan kasus ketika dua resistor terbuat dari platina Ketika suhu berubah, resistansi resistor meningkat:

Jumlah resistansi: . hambatan jembatan adalah . Nilai sinyal pada diagonal pengukur jembatan sama dengan: kamu= Saya 1 R 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- Saya 4 R 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .

Dengan perubahan suhu yang kecil beberapa derajat, dapat diasumsikan bahwa hambatan total jembatan adalah R0, arus yang melalui lengan jembatan adalah 0,5.U0/R0, di mana U0 adalah tegangan suplai jembatan. Di bawah asumsi ini, kami memperoleh nilai sinyal pengukuran yang sama dengan:

kamu= 0,5. kamu 0 . 3,53.10 -3 Δ T= 1,765.10 -3 .kamu 0 Δ T.

Mari kita asumsikan bahwa nilainya Δ T= 2? C, maka pada tegangan suplai 20 V akan diperoleh nilai sinyal ukur sebesar kamu\u003d 70 mV. Mempertimbangkan fakta bahwa kesalahan alat pengukur akan tidak lebih dari 70 V, kita akan menemukan bahwa konduktivitas termal pelat dapat diukur dengan kesalahan tidak lebih buruk dari 0,1%.

Untuk regangan dan termistor, daya yang dihamburkan biasanya dianggap tidak lebih dari 200 mW. Dengan tegangan suplai 20 V, ini berarti hambatan jembatan harus minimal 2000 ohm. Untuk alasan teknologi, termistor terdiri dari n ulir dengan lebar 30 mikron, dengan jarak 30 mikron. Ketebalan ulir resistor adalah 50 nm. Panjang ulir resistor adalah 1,5 mm. Maka hambatan satu utas platina adalah 106 ohm. 20 utas platinum akan membentuk resistor dengan hambatan 2120 ohm. Lebar resistor akan menjadi 1,2 mm. Resistansi satu utas nichrome adalah 1060 ohm. Oleh karena itu, resistor nichrome akan memiliki 2 ulir dan lebar 0,12 mm. Ketika dua resistor R 0 , R 3 terbuat dari titanium, sensitivitas sensor akan berkurang 12%, namun, alih-alih 20 filamen platinum, resistor dapat dibuat dari 4 filamen titanium.

Gambar 1 menunjukkan diagram film tipis sensor jembatan suhu.

Gambar 1. Sensor suhu jembatan film tipis

Pelat sampel 1 memiliki ukuran 8x8 mm dan ketebalan 0,25 mm. Dimensi sesuai dengan kasus ketika resistor platinum digunakan, dan resistor nichrome. Sambungan 2 resistor satu sama lain (berbayang), bantalan kontak 3,4,5,6 dari bus daya dan pengukuran dilakukan dengan konduktor tembaga-nikel. Lingkaran kontak dengan batang tembaga pemanas 7, di satu sisi, dan pendingin, di sisi lain, memiliki diameter 5 mm. Sirkuit listrik dari termometer resistansi yang ditunjukkan pada Gambar 1 diterapkan pada kedua sisi pelat sampel. Untuk insulasi listrik, permukaan setiap termometer resistansi dilapisi dengan lapisan tipis silikon dioksida atau silikon oksida menggunakan deposisi vakum.

Perangkat pemanas dan pendingin

Untuk membuat perbedaan suhu stasioner antara dua permukaan pelat berlian, pemanas dan pendingin digunakan (Gambar 2).

Beras. 2. Skema berdiri:

1 - rumahan, 2 - rumah pendingin, 3 - pelat berlian, 4 - batang pemanas, 5 - kawat nikrom, 6 - kaca, 7 - insulasi termal, 8 - sekrup mikrometrik, 9 - penutup rumahan, 10 - pegas Belleville, 11, 12 - termokopel, 13 - bola baja,

14 - pelat dasar, 15 - sekrup.

Pemanas terdiri dari kawat nikrom 5 yang diisolasi secara listrik, yang dililitkan pada batang tembaga pemanas 4. Dari luar, pemanas ditutup dengan tabung tembaga 6 yang dikelilingi oleh isolasi termal 7. Di bagian bawah, batang tembaga 4 memiliki diameter 5 mm dan ujung batang 4 bersentuhan dengan permukaan pelat berlian3. Di sisi yang berlawanan, pelat intan bersentuhan dengan bagian silinder atas dari badan tembaga 2 yang didinginkan oleh air (badan pendingin). 11,12-chromel-alumel termokopel.

Mari kita nyatakan suhu yang diukur dengan termokopel 11, - suhu yang diukur dengan termokopel 12, - suhu pada permukaan pelat 3 dari sisi pemanas, - suhu pada permukaan pelat 3 dari sisi yang lebih dingin, dan - suhu air. Dalam perangkat yang dijelaskan, proses pertukaran panas berlangsung, ditandai dengan persamaan berikut:

(1)

( (2)

) (4)

dimana: - daya listrik pemanas,

efisiensi pemanas,

konduktivitas termal tembaga,

l adalah panjang batang kontak,

d- diameter batang kontak,

Konduktivitas termal yang diharapkan dari pelat 3,

t-tebal pelat,

Koefisien penghilangan panas untuk kecepatan air,

luas permukaan pendinginan,

Kapasitas panas volumetrik air,

D- diameter pipa air dalam kotak pendingin,

Perubahan suhu air.

Asumsikan bahwa perbedaan suhu pada pelat adalah 2°C. Kemudian fluks panas 20 melewati pelat Dengan diameter batang tembaga 5 mm, fluks panas ini sesuai dengan daya 392,4 W. Mengambil efisiensi pemanas sama dengan 0,5, kita mendapatkan daya listrik pemanas 684,8 W. Dari persamaan (3.4) berikut bahwa air hampir tidak mengubah suhunya, dan suhu pada permukaan pelat intan 3 akan menjadi 11 sama dengan = 248ºC.

Untuk memanaskan batang tembaga 4, kawat nikrom 5 digunakan, diisolasi. Ujung kabel pemanas keluar melalui alur di bagian 4. Kabel pemanas melalui yang lebih tebal kabel tembaga terhubung ke penguat daya listrik triac PR1500, yang dikendalikan oleh regulator TRM148. Program pengontrol diatur sesuai dengan suhu yang diukur oleh termokopel 11, yang digunakan sebagai umpan balik untuk pengontrol.

Perangkat pendingin sampel terdiri dari badan tembaga 2 dengan silinder kontak berdiameter 5 mm di bagian atas. Kasus 2 adalah air didinginkan.

Perangkat pemanas dipasang pada pegas Belleville 10 dan dihubungkan ke kepala sekrup halus 8 dengan bantuan bola 13, yang terletak di ceruk bagian 4. Pegas 10 memungkinkan Anda untuk menyesuaikan tegangan di kontak batang 4 dengan sampel 3. Hal ini dicapai dengan memutar kepala atas sekrup halus 8 dengan kunci. Gerakan tertentu dari sekrup sesuai dengan gaya pegas yang diketahui 10. Dengan membuat kalibrasi awal gaya pegas tanpa sampel pada kontak batang 4 dengan bodi 2, kita dapat mencapai kontak mekanis yang baik dari permukaan pada tegangan yang diijinkan. Jika perlu untuk mengukur tegangan kontak secara akurat, desain dudukan dapat dimodifikasi dengan menghubungkan bodi dengan 2 pegas daun yang dikalibrasi ke bawah berdiri tubuh 1.

Termokopel 11 dan 12 dipasang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, dalam potongan sempit di kepala batang 4. Kawat termokopel kromel dan alumel dengan diameter 50 mikron dilas bersama dan ditutup untuk insulasi listrik. lem epoksi, kemudian dipasang dalam potongannya dan diikat dengan lem. Dimungkinkan juga untuk mendempul ujung setiap jenis kawat termokopel berdekatan satu sama lain tanpa membentuk sambungan. Pada jarak 10 cm ke kabel termokopel tipis, Anda perlu menyolder kabel yang lebih tebal (0,5 mm) dengan nama yang sama, yang akan dipasang ke regulator dan ke multimeter.

Kesimpulan

Dengan menggunakan metode dan alat ukur yang dijelaskan dalam makalah ini, koefisien konduktivitas termal pelat berlian sintetis dapat diukur dengan akurasi tinggi.

Pengembangan metode untuk mengukur konduktivitas termal dilakukan dalam kerangka kerja "Pengembangan teknologi canggih dan desain produk elektronik daya cerdas untuk digunakan dalam peralatan rumah tangga dan industri, dalam transportasi, di kompleks bahan bakar dan energi dan dalam sistem khusus (modul daya dengan pendingin berlian polikristalin)" di bawah dukungan keuangan dari Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia berdasarkan kontrak negara No. 14.429.12.0001 tanggal 05 Maret 2014

Peninjau:

Akishin P.G., Doktor Fisika dan Matematika, Peneliti Senior (Associate Professor), Wakil Kepala Departemen, Laboratorium teknologi Informasi, Institut Bersama untuk Penelitian Nuklir (JINR), Dubna;

Ivanov VV, Doktor Fisika dan Matematika, Peneliti Senior (Profesor Asosiasi), Kepala Peneliti, Laboratorium Teknologi Informasi, Institut Gabungan untuk Riset Nuklir (JINR), Dubna.

Tautan bibliografi

Miodushevsky P.V., Bakmaev S.M., Tingaev N.V. PENGUKURAN TEPAT KONDUKTIVITAS TERMAL SUPERHIGH MATERI PADA PIRING TIPIS // Masalah Modern Sains dan Pendidikan. - 2014. - No. 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (tanggal akses: 02/01/2020). Kami menyampaikan kepada Anda jurnal-jurnal yang diterbitkan oleh penerbit "Academy of Natural History"

Untuk mempelajari konduktivitas termal suatu zat, dua kelompok metode digunakan: stasioner dan non-stasioner.

Teori metode stasioner lebih sederhana dan lebih berkembang sepenuhnya. Tetapi metode non-stasioner, pada prinsipnya, selain koefisien konduktivitas termal, memungkinkan memperoleh informasi tentang difusivitas termal dan kapasitas panas. Oleh karena itu, dalam baru-baru ini Banyak perhatian diberikan pada pengembangan metode non-stasioner untuk menentukan sifat termofisika zat.

Di sini, beberapa metode stasioner untuk menentukan konduktivitas termal zat dipertimbangkan.

sebuah) Metode lapisan datar. Dengan aliran panas satu dimensi melalui lapisan datar, koefisien konduktivitas termal ditentukan oleh rumus

di mana d- ketebalan, T 1 dan T 2 - suhu permukaan sampel "panas" dan "dingin".

Untuk mempelajari konduktivitas termal dengan metode ini, perlu dibuat fluks panas yang mendekati satu dimensi.

Biasanya suhu diukur tidak pada permukaan sampel, tetapi pada jarak tertentu dari mereka (lihat Gambar 2.), oleh karena itu, perlu untuk memperkenalkan koreksi ke dalam perbedaan suhu yang diukur untuk perbedaan suhu di lapisan pemanas dan pendingin, untuk meminimalkan hambatan termal kontak.

Saat mempelajari zat cair, untuk menghilangkan fenomena konveksi, gradien suhu harus diarahkan sepanjang medan gravitasi (turun).

Beras. 2. Skema metode lapisan datar untuk mengukur konduktivitas termal.

1 – sampel uji; 2 - pemanas; 3 - kulkas; 4, 5 - cincin isolasi; 6 – pemanas keamanan; 7 - termokopel; 8, 9 - termokopel diferensial.

b) Metode Jaeger. Metode ini didasarkan pada penyelesaian persamaan panas satu dimensi yang menggambarkan perambatan panas di sepanjang batang yang dipanaskan. sengatan listrik. Kesulitan menggunakan metode ini terletak pada ketidakmungkinan menciptakan kondisi adiabatik yang ketat pada permukaan luar sampel, yang melanggar satu dimensi fluks panas.

Rumus perhitungan terlihat seperti:

(14)

di mana s- konduktivitas listrik dari sampel uji, kamu adalah penurunan tegangan antara titik ekstrim di ujung batang, DT adalah perbedaan suhu antara bagian tengah batang dan titik di ujung batang.

Beras. 3. Skema metode Jaeger.

1 - tungku listrik; 2 - sampel; 3 - trunnion untuk mengencangkan sampel; T 1 T 6 - titik terminasi termokopel.

Metode ini digunakan dalam studi bahan konduktif listrik.

di) Metode lapisan silinder. Cairan yang diselidiki (bahan curah mengisi lapisan silinder yang dibentuk oleh dua silinder koaksial. Salah satu silinder, paling sering internal, adalah pemanas (Gbr. 4).

Gambar 4. Skema metode lapisan silinder

1 - silinder dalam; 2 - pemanas utama; 3 - lapisan zat uji; 4 - silinder luar; 5 - termokopel; 6 - silinder keamanan; 7 - pemanas tambahan; 8 - tubuh.

Mari kita pertimbangkan secara lebih rinci proses stasioner konduksi panas di dinding silinder, suhu permukaan luar dan dalam yang dipertahankan konstan dan sama dengan T 1 dan T 2 (dalam kasus kami, ini adalah lapisan zat sedang dipelajari 5). Mari kita tentukan fluks panas yang melalui dinding dengan syarat bahwa diameter dalam dinding silinder adalah d 1 = 2r 1, dan diameter luar adalah d 2 = 2r 2 , l = konstan, dan panas hanya merambat dalam arah radial .

Untuk menyelesaikan masalah, kami menggunakan persamaan (12). Dalam koordinat silinder, ketika ; persamaan (12), menurut (10), mengambil vit:

. (15)

Mari kita perkenalkan notasinya dT/dr= 0, kita dapatkan

Setelah mengintegrasikan dan mempotensiasi ekspresi ini, meneruskan ke variabel asli, kami mendapatkan:

. (16)

Seperti dapat dilihat dari persamaan ini, ketergantungan T=f(r) adalah logaritmik.

Konstanta integrasi C 1 dan C 2 dapat ditentukan dengan mensubstitusi kondisi batas ke dalam persamaan ini:

pada r \u003d r 1 T \u003d T 1 dan T 1 \u003d C 1 ln r1+C2,

pada r=r2 T=T2 dan T 2 \u003d C 1 ln r2+C2.

Solusi dari persamaan ini sehubungan dengan DARI 1 dan Dari 2 memberikan:

;

Mengganti ekspresi ini untuk Dari 1 dan Dari 2 ke dalam persamaan (1b), kita mendapatkan

(17)

aliran panas melalui area permukaan silinder dengan radius r dan panjang ditentukan dengan menggunakan hukum Fourier (5)

.

Setelah substitusi, kita mendapatkan

. (18)

Koefisien konduktivitas termal l pada nilai yang diketahui Q, T 1 , T 2 , d 1 , d 2 , dihitung dengan rumus

. (19)

Untuk menekan konveksi (dalam kasus cairan), lapisan silinder harus memiliki ketebalan kecil, biasanya pecahan milimeter.

Pengurangan kerugian akhir dalam metode lapisan silinder dicapai dengan meningkatkan rasio / d dan pemanas keamanan.

G) metode kawat panas. Dalam metode ini, hubungan / d meningkat dengan menurun d. Silinder bagian dalam diganti dengan kawat tipis, yang merupakan pemanas dan termometer resistansi (Gbr. 5). Sebagai hasil dari desain yang relatif sederhana dan pengembangan teori yang terperinci, metode kawat panas telah menjadi salah satu yang paling maju dan akurat. Dalam praktik studi eksperimental konduktivitas termal cairan dan gas, ia menempati tempat terdepan.

Beras. 5. Skema sel pengukur dibuat sesuai dengan metode kawat panas. 1 - kawat pengukur, 2 - tabung, 3 - zat uji, 4 - kabel arus, 5 - keran potensial, 6 - termometer eksternal.

Di bawah kondisi bahwa seluruh fluks panas dari bagian AB merambat secara radial dan perbedaan suhu T 1 - T 2 tidak besar, sehingga l = konstanta dapat dipertimbangkan dalam batas-batas ini, konduktivitas termal zat ditentukan oleh rumus

, (20)

di mana Q AB = T×U AB adalah daya yang hilang pada kawat.

e) metode bola. Ini menemukan aplikasi dalam praktik mempelajari konduktivitas termal cairan dan bahan curah. Substansi yang diteliti diberi bentuk lapisan bola, yang pada prinsipnya memungkinkan untuk mengecualikan kehilangan panas yang tidak terkendali. Secara teknis, cara ini agak rumit.

Apapun skala konstruksinya, langkah pertama adalah mengembangkan proyek. Gambar tidak hanya mencerminkan geometri struktur, tetapi juga perhitungan karakteristik termal utama. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengetahui konduktivitas termal bahan bangunan. Tujuan utama konstruksi adalah konstruksi struktur yang tahan lama, struktur tahan lama yang nyaman tanpa biaya pemanasan yang berlebihan. Dalam hal ini, sangat penting untuk mengetahui koefisien konduktivitas termal bahan.

Bata memiliki konduktivitas termal terbaik

Karakteristik indikator

Istilah konduktivitas termal mengacu pada transfer energi panas dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Pertukaran berlanjut sampai kesetimbangan suhu tercapai.

Perpindahan panas ditentukan oleh lamanya waktu di mana suhu di tempat sesuai dengan suhu lingkungan. Semakin kecil interval ini, semakin besar konduktivitas termal bahan bangunan.

Untuk mengkarakterisasi konduktivitas panas, konsep koefisien konduktivitas termal digunakan, yang menunjukkan berapa banyak panas yang melewati area permukaan ini dan itu dalam waktu ini dan itu. Semakin tinggi angka ini, semakin besar perpindahan panas, dan bangunan menjadi lebih cepat dingin. Jadi, saat mendirikan struktur, disarankan untuk menggunakan bahan bangunan dengan konduktivitas panas minimal.

Dalam video ini Anda akan belajar tentang konduktivitas termal bahan bangunan:

Cara menentukan kehilangan panas

Elemen utama bangunan tempat panas keluar:

• pintu (5-20%);
• jenis kelamin (10-20%);
• atap (15-25%);
• dinding (15-35%);
• jendela (5-15%).

Tingkat kehilangan panas ditentukan menggunakan imager termal. Merah menunjukkan area yang paling sulit, kuning dan hijau menunjukkan lebih sedikit kehilangan panas. Zona dengan kerugian paling sedikit disorot dengan warna biru. Nilai konduktivitas termal ditentukan di laboratorium, dan material tersebut mengeluarkan sertifikat kualitas.

Nilai konduktivitas panas tergantung pada parameter berikut:

1. Porositas. Pori-pori menunjukkan heterogenitas struktur. Ketika panas melewati mereka, pendinginan akan minimal.
2. Kelembaban. Level tinggi kelembaban memicu perpindahan udara kering oleh tetesan cairan dari pori-pori, yang nilainya meningkat berkali-kali lipat.
3. Kepadatan. Kepadatan yang lebih tinggi mendorong interaksi partikel yang lebih aktif. Akibatnya, perpindahan panas dan penyeimbangan suhu berlangsung lebih cepat.

Koefisien konduktivitas termal

Di rumah, kehilangan panas tidak bisa dihindari, dan itu terjadi ketika suhu di luar jendela lebih rendah daripada di dalam ruangan. Intensitas adalah variabel dan tergantung pada banyak faktor, yang utamanya adalah sebagai berikut:

1. Luas permukaan yang terlibat dalam perpindahan panas.
2. Indikator konduktivitas termal bahan bangunan dan elemen bangunan.
3. perbedaan suhu.

Huruf Yunani digunakan untuk menunjukkan konduktivitas termal bahan bangunan. Satuan pengukuran adalah W/(m×°C). Perhitungan dilakukan untuk 1 m² dinding setebal satu meter. Perbedaan suhu 1°C diasumsikan di sini.

Studi kasus

Secara konvensional, bahan dibagi menjadi isolasi panas dan struktural. Yang terakhir memiliki konduktivitas termal tertinggi, dinding, langit-langit, dan pagar lainnya dibangun darinya. Menurut tabel bahan, ketika membangun dinding beton bertulang, untuk memastikan pertukaran panas yang rendah dengan lingkungan, ketebalannya harus sekitar 6 m. bangunannya akan besar dan mahal.

Jika perhitungan konduktivitas termal yang salah selama desain, penghuni rumah masa depan hanya akan puas dengan 10% panas dari sumber energi. Oleh karena itu, rumah yang terbuat dari bahan bangunan standar disarankan untuk diisolasi tambahan.

Saat melakukan waterproofing insulasi yang benar, kelembaban tinggi tidak mempengaruhi kualitas insulasi termal, dan ketahanan bangunan terhadap perpindahan panas akan menjadi jauh lebih tinggi.

Paling pilihan terbaik- gunakan pemanas

Pilihan paling umum adalah kombinasi struktur pendukung yang terbuat dari bahan berkekuatan tinggi dengan insulasi termal tambahan. Sebagai contoh:

1. Rumah papan kayu. Isolasi ditempatkan di antara tiang. Terkadang, dengan sedikit penurunan perpindahan panas, diperlukan insulasi tambahan di luar rangka utama.
2. Konstruksi bahan standar. Ketika dindingnya terbuat dari batu bata atau blok cinder, isolasi dilakukan dari luar.

Bahan bangunan untuk dinding luar

Dinding hari ini sedang dibangun dari bahan yang berbeda, bagaimanapun, yang paling populer tetap: kayu, batu bata dan blok bangunan. Perbedaan utama adalah kepadatan dan konduktivitas panas bahan bangunan. Analisis komparatif memungkinkan Anda menemukan mean emas dalam rasio antara parameter ini. Semakin tinggi kepadatannya, semakin banyak daya dukung beban material, dan karena itu seluruh struktur. Tetapi resistansi termal menjadi lebih kecil, yaitu, biaya energi meningkat. Biasanya pada kepadatan yang lebih rendah ada porositas.

Koefisien konduktivitas termal dan densitasnya.

Isolasi dinding

Pemanas digunakan ketika tidak ada cukup ketahanan termal dari dinding luar. Biasanya, untuk menciptakan iklim mikro yang nyaman di dalam ruangan, ketebalan 5-10 cm sudah cukup.

Nilai koefisien diberikan dalam tabel berikut.

Konduktivitas termal mengukur kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan panas melalui dirinya sendiri. Itu sangat tergantung pada komposisi dan strukturnya. Bahan padat seperti logam dan batu adalah konduktor panas yang baik, sedangkan bahan dengan kepadatan rendah seperti gas dan insulasi berpori adalah konduktor yang buruk.