Conform cerințelor legea federală Nr. 261-FZ „Cu privire la economisirea energiei” cerințe pentru conductivitatea termică a clădirii și materiale termoizolanteîn Rusia au fost înăsprite. Astăzi, măsurarea conductibilității termice este unul dintre punctele obligatorii atunci când decideți dacă să folosiți un material ca izolator termic.

De ce este necesară măsurarea conductivității termice în construcții?

Conductivitatea termică a materialelor de construcții și termoizolații este monitorizată în toate etapele certificării și producției acestora în condiții de laborator, când materialele sunt expuse la diverși factori care le afectează proprietățile de performanță. Există mai multe metode comune pentru măsurarea conductibilității termice. Pentru testarea precisă de laborator a materialelor cu conductivitate termică scăzută (sub 0,04 - 0,05 W/m*K), se recomandă utilizarea dispozitivelor care utilizează metoda fluxului de căldură staționar. Utilizarea lor este reglementată de GOST 7076.

Compania Interpribor oferă un termoconductor al cărui preț se compară favorabil cu cele disponibile pe piață și îndeplinește toate cerințe moderne. Este destinat controlului de laborator al calității materialelor de construcție și termoizolare.

Avantajele contorului de conductivitate termică ITS-1

Conductivitatea termică ITS-1 are un design original monobloc și se caracterizează prin următoarele avantaje:

• ciclu automat de măsurare;
• o cale de măsurare de înaltă precizie care vă permite să stabilizați temperaturile frigiderului și încălzitorului;
• capacitatea de a calibra dispozitivul pentru anumite tipuri de materiale testate, ceea ce mărește și mai mult acuratețea rezultatelor;
• evaluarea expresă a rezultatului în timpul procesului de măsurare;
• zona de securitate „fierbinte” optimizată;
• afișaj grafic informativ care simplifică controlul și analiza rezultatelor măsurătorilor.

ITS-1 este furnizat într-o singură modificare de bază, care, la cererea clientului, poate fi completată cu probe de control (plexiglass și penoplex), o cutie pentru materiale vrac și o carcasă de protecție pentru depozitarea și transportul dispozitivului.

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536,212,2; 536.24.021 A. V. Luzina, A. V. Rudin

MĂSURAREA CONDUCTIVITĂȚII TERMICE A EȘANTIBLOR DE METAL PRIN METODA DEBUTULUI DE CĂLDURĂ STATIONARĂ

Adnotare. Se descrie tehnica si caracteristici de proiectare instalatii de masurare a coeficientului de conductivitate termica a probelor de metal realizate sub forma unei tije cilindrice omogene sau a unei placi dreptunghiulare subtiri folosind metoda fluxului de caldura stationar. Eșantionul studiat este încălzit prin încălzire electrică directă cu un impuls scurt de curent alternativ fixat în cleme de curent masive din cupru, care servesc simultan ca un radiator.

Cuvinte cheie: coeficient de conductivitate termică, probă, legea lui Fourier, schimb de căldură staționar, configurație de măsurare, transformator, multimetru, termocuplu.

Introducere

Transferul de energie termică din zonele mai încălzite ale unui corp solid către cele mai puțin încălzite prin particule care se mișcă haotic (electroni, molecule, atomi etc.) se numește fenomenul conductivității termice. Studiul fenomenului de conductivitate termică este utilizat pe scară largă în diverse industrii industrii, precum: petrol, aerospațial, auto, metalurgic, minerit etc.

Există trei tipuri principale de transfer de căldură: convecție, radiație termică și conducție termică. Conductivitatea termică depinde de natura substanței și de starea sa fizică. În acest caz, în lichide și solide (dielectrice) transferul de energie se realizează prin unde elastice, în gaze - prin ciocnirea și difuzia atomilor (molecule), iar în metale - prin difuzia electronilor liberi și cu ajutorul energiei termice. vibrațiile rețelei. Transferul de căldură într-un corp depinde de starea în care se află: gazos, lichid sau solid.

Mecanismul conductivității termice în lichide este diferit de mecanismul conductivității termice în gaze și are multe în comun cu conductivitatea termică a solidelor. În zonele cu temperatură ridicată există vibraţii ale moleculelor cu amplitudine mare. Aceste vibrații sunt transmise moleculelor adiacente și astfel energia mișcării termice este transferată treptat de la strat la strat. Acest mecanism oferă o valoare relativ mică a coeficientului de conductivitate termică. Odată cu creșterea temperaturii, coeficientul de conductivitate termică pentru majoritatea lichidelor scade (excepția este apa și glicerina, pentru care coeficientul de conductivitate termică crește odată cu creșterea temperaturii).

Fenomenul de transfer de energie cinetică folosind mișcarea moleculară în gazele ideale se datorează transferului de căldură prin conductivitate termică. Datorită caracterului aleatoriu al mișcării moleculare, moleculele se mișcă în toate direcțiile. Mutarea din locuri cu mai multe temperatură ridicatăîn locuri cu temperaturi mai scăzute, moleculele transferă energia cinetică a mișcării din cauza ciocnirilor de perechi. Ca urmare a mișcării moleculare, are loc o egalizare treptată a temperaturii; într-un gaz încălzit neuniform, transferul de căldură este transferul unei anumite cantități de energie cinetică în timpul mișcării aleatorii (haotice) a moleculelor. Pe măsură ce temperatura scade, conductivitatea termică a gazelor scade.

În metale, principalul transmițător de căldură sunt electronii liberi, care pot fi asemănați cu un gaz monoatomic ideal. Prin urmare, cu o oarecare aproximare

Coeficientul de conductivitate termică al materialelor de construcție și termoizolare crește odată cu creșterea temperaturii, iar odată cu creșterea greutății volumetrice crește. Coeficientul de conductivitate termică depinde în mare măsură de porozitatea și umiditatea materialului. Conductivitate termică diverse materiale variază în intervalul: 2-450 W/(m K).

1. Ecuația căldurii

Legea conductivității termice se bazează pe ipoteza Fourier despre proporționalitatea fluxului de căldură cu diferența de temperatură pe unitate de lungime a traseului de transfer de căldură pe unitatea de timp. Din punct de vedere numeric, coeficientul de conductivitate termică este egal cu cantitatea de căldură care curge pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață, cu o diferență de temperatură pe unitatea de lungime a normalului egală cu un grad.

Conform legii lui Fourier, densitatea fluxului termic de suprafață h este proporțională

nal la gradientul de temperatură -:

Aici factorul X se numește coeficient de conductivitate termică. Semnul minus indică faptul că căldura este transferată în direcția scăderii temperaturii. Cantitatea de căldură trecută pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață izotermă se numește densitate de flux de căldură:

Cantitatea de căldură care trece pe unitatea de timp prin suprafața izotermă B se numește flux de căldură:

O = | hjB = -1 -kdP^B. (1,3)

Cantitatea totală de căldură trecută prin această suprafață B în timpul t va fi determinată din ecuație

De la=-DL-^t. (1,4)

2. Condiții limită pentru conductivitatea termică

Există diverse condiții pentru unicitate: geometrică - caracterizarea formei și dimensiunii corpului în care are loc procesul de conducere termică; fizic - caracterizarea proprietăților fizice ale corpului; temporară - caracterizarea distribuției temperaturii corpului în momentul inițial de timp; graniță – caracterizarea interacțiunii corpului cu mediu.

Condiții la limită de primul fel. În acest caz, distribuția temperaturii pe suprafața corpului este specificată pentru fiecare moment de timp.

Condiții limită de al doilea fel. În acest caz, valoarea specificată este densitatea fluxului de căldură pentru fiecare punct de pe suprafața corpului în orice moment:

Yara = I (X, Y, 2,1).

Condiții limită de al treilea fel. În acest caz, se precizează temperatura mediului T0 și condițiile de schimb de căldură al acestui mediu cu suprafața corpului.

Condițiile limită de al patrulea fel se formează pe baza egalității fluxurilor de căldură care trec prin suprafața de contact a corpurilor.

3. Configurare experimentală pentru măsurarea coeficientului de conductivitate termică

Metodele moderne de determinare a coeficienților de conductivitate termică pot fi împărțite în două grupe: metode de flux de căldură staționar și metode de flux de căldură nestaționare.

În primul grup de metode, fluxul de căldură care trece printr-un corp sau un sistem de corpuri rămâne constant în mărime și direcție. Câmpul de temperatură este staționar.

Metodele tranzitorii folosesc un câmp de temperatură care variază în timp.

ÎN această lucrare A fost folosită una dintre metodele fluxului staționar de căldură - metoda Kohlrausch.

Schema bloc a instalației pentru măsurarea conductibilității termice a probelor de metal este prezentată în Fig. 1.

Orez. 1. Schema bloc a configurației de măsurare

Elementul principal al instalației este un transformator coborâtor de putere 7, a cărui înfășurare primară este conectată la un autotransformator de tip LATR 10, iar înfășurarea secundară, realizată dintr-o bară de cupru dreptunghiulară cu șase spire, este conectată direct la cleme de curent masive din cupru 2, care servesc simultan ca un radiator-frigider. Eșantionul de testare 1 este fixat în cleme de curent masiv de cupru 2 folosind șuruburi masive de cupru (nu sunt prezentate în figură), care servesc simultan ca radiator. Controlul temperaturii în diferite puncte ale probei studiate se realizează cu ajutorul termocuplurilor Chromel-Copel 3 și 5, ale căror capete de lucru sunt fixate direct pe suprafața cilindrică a probei 1 - unul în partea centrală a probei, iar celălalt la finalul probei. Capetele libere ale termocuplurilor 3 și 5 sunt conectate la multimeri tip DT-838 4 și 6, care permit măsurători de temperatură cu o precizie de 0,5 °C. Proba este încălzită prin încălzire electrică directă cu un impuls scurt de curent alternativ de la înfășurarea secundară a transformatorului de putere 7. Curentul din proba de testare este măsurat indirect - prin măsurarea tensiunii pe înfășurarea secundară a transformatorului de curent inel 8, a cărei înfășurare primară este magistrala de alimentare a înfășurării secundare a transformatorului de putere 7, trecută prin golul liber al miezului magnetic inelar. Tensiunea înfășurării secundare a transformatorului de curent este măsurată cu multimetrul 9.

Modificarea valorii curent de impulsîn eșantionul studiat se realizează folosind un autotransformator liniar 10 (LATR), a cărui înfășurare primară, printr-o siguranță de rețea conectată în serie 13 și un buton 12, este conectată la o rețea de curent alternativ cu o tensiune de 220 V. Căderea de tensiune pe eșantionul studiat în modul de încălzire electrică directă se realizează cu ajutorul unui multimetru 14, conectat în paralel direct la bornele de curent 2. Durata impulsurilor de curent este măsurată cu ajutorul unui cronometru electric 11 conectat la înfășurarea primară a autotransformator liniar 10. Modul de încălzire al probei de testat este pornit și oprit folosind butonul 12.

La măsurarea coeficientului de conductivitate termică folosind instalația descrisă mai sus, trebuie îndeplinite următoarele condiții:

Uniformitatea secțiunii transversale a probei de testat pe toată lungimea;

Diametrul probei de testat trebuie să fie în intervalul de la 0,5 mm la 3 mm (în caz contrar, principalul putere termică va ieși în evidență în transformator de putere, și nu în eșantionul studiat).

O diagramă a temperaturii în funcție de lungimea probei este prezentată în Fig. 2.

Orez. 2. Dependența temperaturii de lungimea probei

După cum se poate observa în diagrama de mai sus, dependența temperaturii de lungimea probei studiate este liniară cu un maxim pronunțat în partea centrală a probei, iar la capete rămâne minimă (constant) și egală cu mediul ambiant. temperatura în intervalul de timp pentru stabilirea unui mod de transfer de căldură de echilibru, care pentru această instalație experimentală nu depășește 3 minute, adică. 180 de secunde.

4. Derivarea formulei de lucru pentru coeficientul de conductivitate termică

Cantitatea de căldură eliberată într-un conductor în timpul trecerii curentului electric poate fi determinată conform legii Joule-Lenz:

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

unde și, I sunt tensiunea și curentul din eșantionul studiat; I este rezistența eșantionului.

Cantitatea de căldură transferată prin secţiune transversală a probei studiate pentru un interval de timp t, realizat sub forma unei tije cilindrice omogene de lungime £ și secțiune transversală 5, poate fi calculată conform legii lui Fourier (1.4):

Qs = R-yT- 5- t, (4.2)

unde 5 = 2-5osn, 5osn =^4-, la = 2-DT = 2-(Gtah -Gtk1); d£ = D£ = 1-£.

Aici coeficienții 2 și 1/2 indică faptul că fluxul de căldură este direcționat din

centrul probei până la capete, adică se bifurcă în două fluxuri. Apoi

^^b = 8-I-(Gtah -Tt|n) -B^ . (4,3)

5. Contabilizarea pierderilor de căldură suprafata laterala

§Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

unde Bbok = n-th-1; a este coeficientul de schimb de căldură între suprafața probei de testat și mediu, având dimensiunea

Diferența de temperatură

DGx = Tx - T0cr, (5,2)

unde Tx este temperatura într-un punct dat de pe suprafața probei; Hocr - temperatura ambiantă, poate fi calculată din ecuația liniară a dependenței temperaturii probei de lungimea acesteia:

Tx = T0 + k-x, (5.3)

unde coeficientul unghiular k poate fi determinat prin tangenta pantei dependenței liniare a temperaturii probei de lungimea sa:

DT T - T T - T

k = f = MT* = Tmax TTT = 2 "max Vр. (5.4)

Înlocuind expresiile (5.2), (5.3) și (5.4) în ecuația (5.1), obținem:

SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,

unde T0 Тсжр.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5,5)

După integrarea expresiei (5.5) obținem:

Q0Kp = 2nd■ dk j jdt■ x■ dx = 2nd-a-k■-I - | ■ t = -4a^nd■ k■ I2 ■ t. (5,6)

Înlocuind expresiile rezultate (4.1), (4.3) și (5.6) în ecuația de echilibru termic aoln = ogr + qs, unde Qtot = QEL, obținem:

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

Rezolvând ecuația rezultată pentru coeficientul de conductivitate termică, obținem:

u1 a £2, l

Expresia rezultată ne permite să determinăm coeficientul de conductivitate termică a tijelor subțiri de metal în conformitate cu calculele efectuate pentru probele de testare tipice cu o eroare relativă

AU f (AI f (L(LG)) ^ (At2

nu depășește 1,5%.

Referințe

1. Sivukhin, D.V. Curs general de fizică / D.V. - M.: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 p.

2. Rudin, A. V. Studiul proceselor de relaxare structurală în obiectele de formare a sticlei în diverse moduri de răcire / A. V. Rudin // Noutăți ale instituțiilor de învățământ superior. Regiunea Volga. Stiintele naturii. - 2003. - Nr. 6. - P. 123-137.

3. Pavlov, P.V. Fizica stării solide: manual. manual pentru studenții care studiază la specialitatea „Fizică” / P. V. Pavlov, A. F. Khohlov. - M.: Mai sus. şcoală, 1985. - 384 p.

4. Berman, R. Thermal conductivity of solids / R. Berman. - M., 1979. - 287 p.

5. Livshits, B. G. Proprietăți fizice metale și aliaje / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - M.: Metalurgie, 1980. - 320 p.

Luzina Anna Vyacheslavovna Luzina Anna Vyacheslavovna

universitar, student la master,

Universitatea de Stat Penza Universitatea de Stat Penza E-mail: [email protected]

Rudin Alexandru Vasilievici

Candidat la științe fizice și matematice, profesor asociat, șef adjunct al Departamentului de Fizică, Universitatea de Stat Penza E-mail: [email protected]

Rudin Aleksandr Vasil"evici

candidat la științe fizice și matematice, conferențiar,

șef adjunct al subdepartamentului de fizică, Universitatea de Stat Penza

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536,212,2; 536.24.021 Luzina, A. V.

Măsurarea conductivității termice a probelor de metal folosind metoda fluxului de căldură staționar /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Buletinul lui Penza universitate de stat. - 2016. - Nr. 3 (15). -CU. 76-82.

2

1 Bugetul de stat instituție de învățământÎnvățământul profesional superior al regiunii Moscova „Universitatea Internațională a Naturii, Societății și Omului „Dubna” (Universitatea „Dubna”)

2 CJSC Asociația Interregională de Producție de Achiziții Tehnice „TECHNOKOMPLEKT” (CJSC MPOTC TECHNOKOMPLEKT)

A fost dezvoltată o metodă de măsurare a conductivității termice a plăcilor de diamant policristalin. Metoda presupune aplicarea a două termometre de rezistență cu peliculă subțire realizate într-un circuit de punte pe părțile opuse ale plăcii. Pe de o parte, la locul unuia dintre termometrele de rezistență, placa este încălzită prin contact cu o tijă de cupru fierbinte. Pe partea opusă (la locația altui termometru de rezistență), placa este răcită prin contact cu o tijă de cupru răcită cu apă. Fluxul de căldură prin placă este măsurat prin termocupluri montate pe o tijă de cupru fierbinte și controlate de un dispozitiv automat. Termometrele de rezistență cu peliculă subțire, depuse prin metoda depunerii în vid, au o grosime de 50 de nanometri și sunt aproape integrale cu suprafața plăcii. Prin urmare, temperaturile măsurate corespund exact temperaturilor de pe suprafețele opuse ale plăcii. Sensibilitatea ridicată a termometrelor de rezistență cu peliculă subțire este asigurată datorită rezistenței crescute a rezistențelor acestora, ceea ce permite utilizarea unei tensiuni de alimentare în punte de cel puțin 20 V.

conductivitate termică

plăci de diamant policristalin

senzor de temperatură punte cu peliculă subțire

1. Bityukov V.K., Petrov V.A., Tereshin V.V. Metodologia de determinare a coeficientului de conductivitate termică a materialelor translucide // Școala Internațională de Termofizică, Tambov, 2004. – pp. 3-9.

2. Dukhnovsky M.P., Ratnikova A.K. Metodă de determinare a caracteristicilor termofizice ale unui material și un dispozitiv pentru implementarea acestuia // Brevet RF Nr. 2319950 IPC G01N25/00 (2006).

3. Kolpakov A., Kartashev E. Controlul condițiilor termice ale modulelor de putere. //Componente și tehnologii. – 2010. – Nr. 4. – p. 83-86.

4. Determinarea conductivității termice a filmelor de diamant policristalin folosind efectul fotoacustic // ZhTP, 1999. – T. 69. – Issue. 4. – p. 97-101.

5. Instalatie pentru masurarea conductibilitatii termice a materialelor pulverulente // Rezumate ale rapoartelor prezentate la a III-a conferinta internationalași a treia școală internațională de tineri oameni de știință și specialiști „Interacțiunea izotopilor de hidrogen cu materialele structurale” (INISM-07). – Sarov, 2007. – P. 311-312.

6. Tsarkova O.G. Proprietăți optice și termofizice ale metalelor, ceramicii și filmelor de diamant sub încălzire cu laser la temperatură înaltă // Proceedings of the Institute of General Physics. A.M. Prokhorova, 2004. – T. 60. – P. 30-82.

7. Senzor de temperatură cu film subțire minituarizat pentru o gamă largă de măsurători // Proc. al celui de-al doilea workshop internațional IEEE privind progresele în senzori și interfețe, IWASI. – 2007. – P.120-124.

Componentele electronice moderne, în special electronica de putere, generează cantități semnificative de căldură. Pentru a asigura funcționarea fiabilă a acestor componente, în prezent sunt create dispozitive de radiator care utilizează plăci de diamant sintetic cu conductivitate termică ultra-înaltă. Măsurarea precisă a conductibilității termice a acestor materiale este de mare importanță pentru creare aparate moderne electronica de putere.

Pentru a măsura cu o precizie acceptabilă valoarea conductibilității termice în direcția principală a radiatorului (perpendicular pe grosimea plăcii), este necesar să se creeze un flux de căldură pe suprafața probei cu o densitate a suprafeței de cel puțin 20 , datorită conductivității termice foarte ridicate a plăcilor radiatoare din diamant policristalin. Metodele descrise în literatură care utilizează sisteme laser (vezi) asigură o densitate insuficientă a fluxului termic de suprafață 3,2 și, în plus, provoacă încălzirea nedorită a probei măsurate. Metodele de măsurare a conductibilității termice care utilizează încălzirea în impulsuri a unei probe cu un fascicul focalizat și metodele care utilizează efectul fotoacustic nu sunt metode directe și, prin urmare, nu pot oferi nivelul necesar de fiabilitate și acuratețe a măsurătorilor și necesită, de asemenea, echipamente complexe și calcule greoaie. Metoda de măsurare descrisă în lucrare, care se bazează pe principiul undelor termice plane, este potrivită numai pentru materiale cu conductivitate termică relativ scăzută. Metoda de conductivitate termică staționară poate fi utilizată numai pentru a măsura conductibilitatea termică în direcția de-a lungul plăcii, iar această direcție nu este direcția principală de îndepărtare a căldurii și nu prezintă interes științific.

Descrierea metodei de măsurare selectate

Densitatea de suprafață necesară a fluxului de căldură staționar poate fi atinsă prin contactarea unei tije de cupru fierbinte pe o parte a plăcii de diamant și contactând o tijă de cupru rece pe partea opusă a plăcii de diamant. Diferența de temperatură măsurată poate fi mică, de exemplu, doar 2 °C. Prin urmare, este necesar să se măsoare cu precizie temperatura pe ambele părți ale plăcii la punctele de contact. Acest lucru se poate face folosind termometre de rezistență miniaturale cu peliculă subțire, care pot fi fabricate prin depunerea în vid a circuitului de măsurare a podului termometrului pe suprafața plăcii. Lucrarea descrie experiența noastră anterioară în proiectarea și fabricarea de termometre de rezistență miniaturale, de înaltă precizie, cu film subțire, ceea ce confirmă fezabilitatea și utilitatea utilizării acestei tehnologii în cazul pe care îl luăm în considerare. Termometrele cu peliculă subțire au o grosime foarte mică de 50–80 nm și, prin urmare, temperatura lor nu diferă de temperatura suprafeței plăcii pe care sunt aplicate. O tijă de cupru fierbinte este încălzită folosind o izolație electrică fir nicrom, înfăşurat în jurul acestei tije pe o lungime considerabilă pentru a asigura furnizarea puterii termice necesare. Conductivitatea termică a tijei de cupru asigură transferul unui flux de căldură cu o densitate de cel puțin 20 pe direcția axială a tijei. Mărimea acestui flux de căldură este măsurată folosind două termocupluri subțiri cromel-alumel situate la o distanță dată unul de celălalt în două secțiuni de-a lungul axei tijei. Fluxul de căldură care trece prin placă este îndepărtat folosind o tijă de cupru răcită cu apă. Pentru a reduce rezistența termică la punctele de contact dintre tijele de cupru și placă, se utilizează unsoare siliconică precum DowCorningTC-5022. Rezistențele de contact termic nu afectează fluxul de căldură măsurat, ele provoacă o ușoară creștere a temperaturii plăcii și a încălzitorului. Astfel, conductivitatea termică a plăcii în direcția principală de îndepărtare a căldurii este determinată de măsurători directe ale mărimii fluxului de căldură care trece prin placă și mărimea diferenței de temperatură pe suprafețele acesteia. Pentru aceste măsurători se poate folosi o placă de probă cu dimensiuni de aproximativ 8x8mm.

Trebuie remarcat faptul că termometrele de rezistență cu peliculă subțire pot fi utilizate în viitor pentru a monitoriza funcționarea produselor electronice de putere care conțin plăci de diamant cu radiație termică. Literatura de specialitate subliniază, de asemenea, importanța monitorizării termice integrate a modulelor de putere.

Descrierea designului standului, elementele și instrumentele sale principale

Senzori de temperatură cu punte cu peliculă subțire

Pentru măsurarea temperaturii de înaltă precizie, un circuit de punte al unui termometru de rezistență este aplicat pe suprafața unei plăci de diamant artificial policristalin folosind pulverizarea cu magnetron. În acest circuit, două rezistențe sunt fabricate din platină sau titan, iar celelalte două sunt din nicrom. La temperatura camerei Rezistențele tuturor celor patru rezistențe sunt aceleași și egale. Luați în considerare cazul în care două rezistențe sunt fabricate din platină Pe măsură ce temperatura se schimbă, rezistența rezistențelor crește:

Cantităţi de rezistenţe: . Rezistența podului este de . Mărimea semnalului pe diagonala de măsurare a podului este egală cu: Hm= eu 1 R 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- eu 4 R 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .

Pentru o mică schimbare de temperatură de câteva grade, putem presupune că rezistența totală a punții este egală cu R0, curentul prin brațul punții este egal cu 0,5.U0/R0, unde U0 este tensiunea de alimentare a podului. În baza acestor ipoteze, obținem mărimea semnalului de măsurare egală cu:

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

Să presupunem că valoarea Δ T= 2? C, apoi cu o tensiune de alimentare de 20 V obținem mărimea semnalului de măsurare egală cu Hm=70 mV Ținând cont de faptul că eroarea instrumente de măsurare nu va fi mai mare de 70 μV, constatăm că conductivitatea termică a plăcii poate fi măsurată cu o eroare de nu mai mare de 0,1%.

Pentru tensiometru și termistori, este de obicei acceptată o valoare de disipare a puterii de cel mult 200 mW. Cu o tensiune de alimentare de 20 V, aceasta înseamnă că rezistența punții trebuie să fie de cel puțin 2000 ohmi. Din motive tehnologice, termistorul este format din n filamente cu lățimea de 30 microni, situate la o distanță de 30 microni unul de celălalt. Grosimea filamentului rezistor este de 50 nm. Lungimea filamentului rezistorului este de 1,5 mm. Apoi, rezistența unui fir de platină este de 106 ohmi. 20 de fire de platină vor alcătui un rezistor cu o rezistență de 2120 ohmi. Lățimea rezistenței va fi de 1,2 mm. Rezistența unui fir de nicrom este de 1060 ohmi. Prin urmare, un rezistor nicrom va avea 2 fire și o lățime de 0,12 mm. În cazul în care două rezistențe R 0 , R 3 sunt fabricate din titan, sensibilitatea senzorului va scădea cu 12%, totuși, în loc de 20 de fire de platină, rezistența poate fi făcută din 4 fire de titan.

Figura 1 prezintă o diagramă a unei pelicule subțiri senzor de punte temperatură.

Fig.1. Senzor de temperatură punte cu peliculă subțire

Placa de probă 1 are o dimensiune de 8x8 mm și o grosime de 0,25 mm. Dimensiunile corespund cazului în care se folosesc rezistențe de platină și se folosesc rezistențe de nicrom. Conexiunile a 2 rezistențe între ele (umbrite), contacte 3,4,5,6 magistrale de alimentare și măsurătorile se fac cu conductori de cupru-nichel. Cercul de contact cu tijele de cupru ale încălzitorului 7, pe de o parte, și răcitorul, pe de altă parte, are un diametru de 5 mm. Prezentat în figura 1 schema electrica termometrul de rezistență este aplicat pe ambele părți ale plăcii de probă. Pentru izolarea electrică, suprafața fiecărui termometru de rezistență este acoperită cu o peliculă subțire de dioxid de siliciu sau oxid de siliciu prin depunere în vid.

Dispozitive de încălzire și răcire

Un încălzitor și un răcitor sunt folosite pentru a crea o diferență staționară de temperatură între cele două suprafețe ale plăcii diamantate (Figura 2).

Orez. 2. Dispunerea standului:

1 - carcasă, 2 - carcasă de răcire, 3 - placă diamantată, 4 - tijă de încălzire, 5 - sârmă nicrom, 6 - sticlă, 7 - izolație termică, 8 - șurub micrometric, 9 - capac carcasă, 10 - arc disc, 11, 12 - termocupluri, 13 - bilă de oțel,

14 - placă de sprijin, 15 - șurub.

Încălzitorul este format dintr-un fir de nichel 5 izolat electric, care este înfășurat pe o tijă de încălzire de cupru 4. La exterior, încălzitorul este închis de un tub de cupru 6, înconjurat de izolație termică 7. În partea inferioară, tija de cupru 4 are un diametru de 5 mm iar capătul tijei 4 este în contact cu suprafața plăcii diamantate 3. Pe partea opusă, placa de diamant este în contact cu partea cilindrică superioară a carcasei de cupru 2, răcită cu apă (carcasa de răcire). Termocupluri 11,12-cromel-alumel.

Să notăm temperatura măsurată de termocuplul 11, - temperatura măsurată de termocuplul 12, - temperatura de pe suprafața plăcii 3 pe partea de încălzire, - temperatura de pe suprafața plăcii 3 pe partea rece și - apa temperatură. În dispozitivul descris au loc procese de schimb de căldură, caracterizate prin următoarele ecuații:

(1)

( (2)

) (4)

unde: - puterea electrică a încălzitorului,

Eficiența încălzitorului,

Conductivitatea termică a cuprului,

l este lungimea tijei de contact,

d - diametrul tijei de contact,

Conductivitatea termică așteptată a plăcii 3,

grosimea plăcii în T,

Coeficientul de îndepărtare a căldurii pentru viteza apei,

Suprafata de racire,

Capacitatea termică volumetrică a apei,

D este diametrul conductei de apă din carcasa de răcire,

Schimbarea temperaturii apei.

Să presupunem că diferența de temperatură pe placă este de 2°C. Apoi un flux de căldură 20 trece prin placă Cu o tijă de cupru cu diametrul de 5 mm, acest flux de căldură corespunde unei puteri de 392,4 W. Luând randamentul încălzitorului egal cu 0,5, obținem puterea electrică a încălzitorului 684,8 W. Din ecuațiile (3.4) rezultă că apa aproape nu își schimbă temperatura, iar temperatura de pe suprafața plăcii de diamant 3 va fi egală Din ecuațiile (1.2) obținem (cu o lungime a tijei de cupru de contact de 2 mm,). și că temperatura măsurată de un termocuplu 11 este egală cu = 248ºC.

Pentru a încălzi tija de cupru 4, se folosește sârmă de nicrom 5, izolat. Capetele firelor de încălzire ies printr-o canelură din partea 4. Firele de încălzire prin cele mai groase fire de cupru conectat la un amplificator triac putere electrică PR1500, care este controlat de regulatorul TPM148. Programul controlerului este setat de temperatura măsurată de termocuplul 11, care este folosit ca feedback pentru controler.

Dispozitivul de răcire a probei constă dintr-o carcasă de cupru 2, care are în partea superioară un cilindru de contact cu un diametru de 5 mm. Carcasa 2 este răcită cu apă.

Dispozitivul de încălzire este instalat pe un arc cu disc 10 și este conectat la capul șurubului de precizie 8 folosind o bilă 13, care este situată în locașul piesei 4. Arcul 10 vă permite să reglați tensiunea în contactul dintre tija 4 cu proba 3. Acest lucru se realizează prin rotirea capului superior al șurubului de precizie 8 cu ajutorul unei chei. O anumită mișcare a șurubului corespunde unei forțe cunoscute a arcului 10. Efectuând o calibrare inițială a forțelor arcului fără eșantion atunci când tija 4 este în contact cu corpul 2, putem obține un bun contact mecanic al suprafețelor la tensiuni admisibile. Dacă este necesară măsurarea precisă a tensiunilor de contact, designul suportului poate fi modificat prin conectarea corpului cu 2 arcuri lamelare calibrate cu fund corpul suportului 1.

Termocuplurile 11 și 12 sunt instalate, așa cum se arată în figura 2, în tăieturi înguste în capul tijei 4. Termocuplul sârmă cromel și alumel cu un diametru de 50 de microni este sudat împreună și acoperit pentru izolarea electrică. adeziv epoxidic, apoi instalat în tăietura sa și asigurat cu lipici. De asemenea, este posibil să se calfeteze capătul fiecărui tip de fir de termocuplu aproape unul de celălalt, fără a forma o joncțiune. La o distanță de 10 cm, firele mai groase (0,5 mm) cu același nume trebuie lipite la fire subțiri de termocuplu, care vor fi conectate la regulator și la multimetru.

Concluzie

Folosind metoda și instrumentele de măsurare descrise în această lucrare, este posibil să se măsoare cu precizie conductivitatea termică a plăcilor de diamant sintetic.

Dezvoltarea unei metode de măsurare a conductibilității termice se realizează în cadrul lucrării „Dezvoltarea tehnologiilor avansate și a proiectelor de produse electronice de putere inteligente pentru utilizare în echipamente de uz casnic și industrial, în transport, în complexul de combustibil și energie și în sisteme speciale (modul de putere cu radiator de diamant policristalin)” cu sprijin financiar al Ministerului Educației și Științei Federația Rusă in cadrul contractului guvernamental nr. 14.429.12.0001 din 05 martie 2014

Recenzători:

Akishin P.G., doctor în științe fizice și matematice, cercetător principal (profesor asociat), șef adjunct al departamentului, Laborator tehnologia de informație, Institutul Comun de Cercetare Nucleară (JINR), Dubna;

Ivanov V.V., Doctor în Științe Fizice și Matematice, cercetător principal (profesor asociat), cercetător șef, Laboratorul de Tehnologii Informaționale, Institutul Comun de Cercetare Nucleară (JINR), Dubna.

Link bibliografic

Miodushevsky P.V., Bakmaev S.M., Tingaev N.V. MĂSURAREA PRECISĂ A CONDUCTIVITĂȚII TERMICE ULTRA ÎNALTE A MATERIALULUI PE PLACI SUBȚIRI // Probleme moderne de știință și educație. – 2014. – Nr 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (data acces: 02/01/2020). Vă aducem în atenție reviste apărute la editura „Academia de Științe ale Naturii”

Pentru a studia conductivitatea termică a unei substanțe, se folosesc două grupe de metode: staționare și non-staționare.

Teoria metodelor staționare este mai simplă și mai complet dezvoltată. Dar metodele nestaționare, în principiu, pe lângă coeficientul de conductivitate termică, fac posibilă obținerea de informații despre coeficientul de difuzivitate termică și capacitatea termică. Prin urmare în în ultima vreme Se acordă multă atenție dezvoltării metodelor nestaționare pentru determinarea proprietăților termofizice ale substanțelor.

Aici sunt discutate câteva metode staționare pentru determinarea conductivității termice a substanțelor.

O) Metoda stratului plat. Pentru un flux de căldură unidimensional printr-un strat plat, coeficientul de conductivitate termică este determinat de formula

Unde d- grosime, T 1 și T 2 - temperaturile suprafeței „fierbinte” și „rece” a probei.

Pentru a studia conductibilitatea termică folosind această metodă, este necesar să se creeze un flux de căldură apropiat de unidimensional.

De obicei, temperaturile sunt măsurate nu pe suprafața probei, ci la o anumită distanță de acestea (vezi Fig. 2), prin urmare este necesar să se introducă corecții în diferența de temperatură măsurată pentru diferența de temperatură în stratul de încălzire și de răcire, pentru a minimizați rezistența termică a contactelor.

La studierea lichidelor, pentru a elimina fenomenul de convecție, gradientul de temperatură trebuie direcționat de-a lungul câmpului gravitațional (în jos).

Orez. 2. Diagrama metodelor stratului plat pentru măsurarea conductibilității termice.

1 – eșantion în studiu; 2 – încălzitor; 3 – frigider; 4, 5 – inele izolante; 6 – încălzitoare de securitate; 7 – termocupluri; 8, 9 – termocupluri diferențiale.

b) metoda Jaeger. Metoda se bazează pe rezolvarea unei ecuații unidimensionale a căldurii care descrie propagarea căldurii de-a lungul unei tije încălzite. șoc electric. Dificultatea utilizării acestei metode este imposibilitatea de a crea condiții adiabatice stricte pe suprafața exterioară a probei, ceea ce încalcă unidimensionalitatea fluxului de căldură.

Formula de calcul arată astfel:

(14)

Unde s- conductivitatea electrică a probei de testat; U– căderea de tensiune între punctele extreme de la capetele tijei, D.T.– diferenta de temperatura intre mijlocul tijei si punctul de la capatul tijei.

Orez. 3. Schema metodei Jaeger.

1 – cuptor electric; 2 – proba; 3 – toroane pentru fixarea probei; T 1 ¸ T 6 – locuri unde termocuplurile sunt sigilate.

Această metodă este utilizată în studiul materialelor conductoare electric.

V) Metoda stratului cilindric. Lichidul studiat (material în vrac) umple un strat cilindric format din doi cilindri situati coaxial Unul dintre cilindri, cel mai adesea cel intern, este un încălzitor (Fig. 4).

Fig. 4. Schema metodei stratului cilindric

1 - cilindru interior; 2 - încălzitor principal; 3 - stratul substanței de testat; 4 – cilindru exterior; 5 - termocupluri; 6 – cilindri de securitate; 7 - încălzitoare suplimentare; 8 - corp.

Să luăm în considerare mai detaliat procesul staționar de conductivitate termică într-un perete cilindric, a cărui temperatură a suprafețelor exterioare și interioare este menținută constantă și egală cu T 1 și T 2 (în cazul nostru, acesta este un strat al substanței în studiu 5). Să determinăm fluxul de căldură prin perete cu condiția ca diametrul interior al peretelui cilindric să fie d 1 = 2r 1 , iar diametrul exterior să fie d 2 = 2r 2 , l = const și căldura să se propagă numai în direcția radială.

Pentru a rezolva problema, folosim ecuația (12). În coordonate cilindrice, când ; ecuația (12), conform (1O), ia forma:

. (15)

Să introducem notația dT/dr= 0, obținem

După integrarea și potențarea acestei expresii, trecând la variabilele originale, obținem:

. (16)

După cum se poate observa din această ecuație, dependența T=f(r) este logaritmică.

Constantele de integrare C 1 și C 2 pot fi determinate dacă condițiile la limită sunt substituite în această ecuație:

la r=r 1 T = T 1Şi T1 =C1 ln r1 +C2,

la r=r2 T=T2Şi T2 =C1 ln r2 +C2.

Soluția acestor ecuații este relativă la CU 1 și C 2 ofera:

;

Înlocuind în schimb aceste expresii C 1Şi C 2în ecuația (1b), obținem

(17)

fluxul de căldură prin zona unei suprafețe cilindrice cu rază r iar lungimea este determinată folosind legea lui Fourier (5)

.

După înlocuire obținem

. (18)

Coeficientul de conductivitate termică l pentru valori cunoscute Q, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, calculat prin formula

. (19)

Pentru a suprima convecția (în cazul lichidului), stratul cilindric trebuie să aibă o grosime mică, de obicei o fracțiune de milimetru.

Reducerea pierderilor finale în metoda stratului cilindric se realizează prin creșterea raportului / dși încălzitoare de securitate.

G) Metoda firului fierbinte.În această metodă relația / d crește datorită scăderii d. Cilindrul interior este înlocuit cu un fir subțire, care este atât un încălzitor, cât și un termometru de rezistență (Fig. 5). Ca rezultat al simplității relative a designului și al dezvoltării detaliate a teoriei, metoda firului încălzit a devenit una dintre cele mai avansate și precise. În practica studiilor experimentale ale conductivității termice a lichidelor și gazelor, acesta ocupă un loc de frunte.

Orez. 5. Schema unei celule de măsurare realizată prin metoda firului încălzit. 1 – fir de măsurare, 2 – tub, 3 – substanță de testat, 4 – cabluri de curent, 5 – cabluri de potențial, 6 – termometru extern.

Cu condiția ca întregul flux de căldură din secțiunea AB să se extindă radial și diferența de temperatură T 1 – T 2 să nu fie mare, astfel încât în ​​aceste limite să putem considera l = const, coeficientul de conductivitate termică al substanței este determinat de formula

, (20)

Unde Q AB = T×U AB este puterea eliberată pe fir.

d) Metoda mingii. Găsește aplicație în practica studierii conductibilității termice a lichidelor și a materialelor în vrac. Substanței studiate i se dă forma unui strat sferic, ceea ce permite, în principiu, eliminarea pierderilor necontrolate de căldură. Din punct de vedere tehnic, această metodă este destul de complicată.

Indiferent de amploarea construcției, primul pas este dezvoltarea unui proiect. Desenele reflectă nu numai geometria structurii, ci și calculul principalelor caracteristici termice. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți conductivitatea termică materiale de constructii. Scopul principal al construcției este de a construi structuri durabile, structuri durabile care sunt confortabile, fără costuri excesive de încălzire. În acest sens, cunoașterea coeficienților de conductivitate termică a materialelor este extrem de importantă.

Cărămida are o conductivitate termică mai bună

Caracteristicile indicatorului

Termenul de conductivitate termică se referă la transferul de energie termică de la obiecte mai încălzite la cele mai puțin încălzite. Schimbul continuă până când apare echilibrul de temperatură.

Transferul de căldură este determinat de durata de timp în care temperatura din încăperi este în concordanță cu temperatura ambiantă. Cu cât acest interval este mai mic, cu atât conductivitatea termică a materialului de construcție este mai mare.

Pentru a caracteriza conductivitatea căldurii se folosește conceptul de coeficient de conductivitate termică, care arată câtă căldură trece printr-o suprafață într-un anume timp. Cu cât acest indicator este mai mare, cu atât schimbul de căldură este mai mare, iar clădirea se răcește mult mai repede. Astfel, la construirea structurilor, se recomandă utilizarea materialelor de construcție cu conductivitate termică minimă.

În acest videoclip veți afla despre conductivitatea termică a materialelor de construcție:

Cum se determină pierderea de căldură

Elementele principale ale clădirii prin care scapă căldura:

• uși (5-20%);
• gen (10-20%);
• acoperiș (15-25%);
• pereți (15-35%);
• ferestre (5-15%).

Nivelul de pierdere de căldură este determinat cu ajutorul unei camere termice. Roșu indică zonele cele mai dificile, galbenul și verdele indică mai puține pierderi de căldură. Zonele cu cele mai mici pierderi sunt evidențiate cu albastru. Valoarea conductibilității termice este determinată în condiții de laborator, iar materialului i se eliberează un certificat de calitate.

Valoarea conductibilității termice depinde de următorii parametri:

1. Porozitate. Porii indică eterogenitatea structurii. Când căldura trece prin ele, răcirea va fi minimă.
2. Umiditate. Nivel înalt umiditatea provoacă deplasarea aerului uscat prin picături de lichid din pori, motiv pentru care valoarea crește de multe ori.
3. Densitate. Densitatea mai mare promovează o interacțiune mai activă între particule. Ca rezultat, schimbul de căldură și echilibrarea temperaturii decurg mai rapid.

Coeficient de conductivitate termică

Pierderea de căldură într-o casă este inevitabilă și apare atunci când temperatura exterioară este mai mică decât în ​​interior. Intensitatea este variabilă și depinde de mulți factori, principalii fiind următorii:

1. Aria suprafețelor implicate în schimbul de căldură.
2. Indicator de conductivitate termică a materialelor și elementelor de construcție.
3. Diferența de temperatură.

Litera greacă λ este folosită pentru a desemna conductivitatea termică a materialelor de construcție. Unitate de măsură – W/(m×°C). Calculul se face pentru 1 m² de perete gros de un metru. Aici se presupune o diferență de temperatură de 1°C.

Studiu de caz

În mod convențional, materialele sunt împărțite în izolație termică și structurală. Acestea din urmă au cea mai mare conductivitate termică sunt folosite pentru a construi pereți, tavane și alte garduri. Conform tabelului de materiale, atunci când se construiesc pereți din beton armat, pentru a asigura un schimb scăzut de căldură cu mediul, grosimea acestora ar trebui să fie de aproximativ 6 m structura va fi voluminoasă și costisitoare.

Dacă conductivitatea termică este calculată incorect în timpul proiectării, locuitorii viitoarei locuințe se vor mulțumi cu doar 10% din căldură din surse de energie. Prin urmare, se recomandă izolarea suplimentară a caselor din materiale de construcție standard.

La impermeabilizarea corectă a izolației, umiditatea ridicată nu afectează calitatea izolației termice, iar rezistența structurii la transferul de căldură va deveni mult mai mare.

Cele mai multe cea mai buna varianta– folosiți izolație

Cea mai comună opțiune este o combinație a unei structuri de susținere din materiale de înaltă rezistență cu izolație termică suplimentară. De exemplu:

1. Casă cu cadru. Izolația este plasată între știfturi. Uneori, cu o ușoară scădere a transferului de căldură, este necesară o izolație suplimentară la exteriorul cadrului principal.
2. Construcție din materiale standard. Când pereții sunt din cărămidă sau bloc de cemento, izolarea se face din exterior.

Materiale de constructii pentru pereti exteriori

Zidurile de astăzi sunt construite din materiale diferite, totusi, cele mai populare raman: lemnul, caramida si blocurile de constructii. Principalele diferențe sunt în densitatea și conductibilitatea termică a materialelor de construcție. Analiza comparativă ne permite să găsim o cale de mijloc în relația dintre acești parametri. Cu cât densitatea este mai mare, cu atât mai mult capacitate portantă materialul și, prin urmare, întreaga structură. Dar rezistența termică devine mai mică, adică costurile cu energia cresc. De obicei, la densități mai mici există porozitate.

Coeficientul de conductivitate termică și densitatea acestuia.

Izolație pentru pereți

Materialele de izolare sunt utilizate atunci când rezistența termică a pereților exteriori nu este suficientă. De obicei, o grosime de 5-10 cm este suficientă pentru a crea un microclimat interior confortabil.

Valoarea coeficientului λ este dată în tabelul următor.

Conductivitatea termică măsoară capacitatea unui material de a transmite căldură prin el însuși. Depinde foarte mult de compoziție și structură. Materialele dense precum metalele și piatra sunt buni conductori de căldură, în timp ce substanțele cu densitate scăzută, cum ar fi gazele și izolația poroasă, sunt conductoare slabe.