Способ измерения теплоемкости металлических пленок

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК, основанный на нагревании исследуемого материала радиационным облучением, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения измерения теплоемкости, в режиме радиационного теплообмена измеряют выходной электрический сигнал емкостного преобразователя лучистой энергии, измерительный элемент которого выполнен из исследуемого материала , в зависимости от частоты модуляции облучения, строят частотную характеристику, по которой определяют тепловую постоянную времени преобразователя, а теплоемкость рассчитывают по формуле с,мебАт, где - коэффициент поглощения плеиi ки; о - постоянная Стефана-Больцмана; (Л А - площадь измерительного элемента; Т температура окружакицей среды; тепловая постоянная времени. ЭО 00 00 СО

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (l 9) () 1) 79 А (5))4 С 01 N 25/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3732529/24-25 (22) 06. 01. 84 (46) 07.10.85. Бюл. )(37 . (72) Н.М. Братасюк и В. В. Сагарда (71) Ужгородский государственный университет (53) 536.63(088.8) (56) Попов М.М. Термометры и калориметрия. M., Изд-во МГУ. 1954, т. 2, с. 67.

Авторское свидетельство СССР

У 930087, кл. G 01 N 25/20, 1980. (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК, основанный на нагревании исследуемого материала радиационным облучением, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения измерения теплоемкости, в режиме радиационного теплообмена измеряют выходной электрический сигнал емкостного преобразователя лучистой энергии, измерительный элемент которого выполнен из исследуемого материала, в зависимости от частоты модуляции облучения, строят частотную характеристику, по которой определяют тепловую постоянную времени преобразователя, а теплоемкость рассчитывают по формуле

cj 1Еб Ат с где с — коэффициент поглощения пленки; — постоянная Стефана-Больцмана;

А — площадь измерительного элемента;

T — температура окружающей среды;

v — - тепловая постоянная времени.

1183879

Изобретение относится к теплофизике, предназначено для измерения теплоемкости преимущественно тонкопленочных токопроводящих материалов и может быть использовано при определении тепловых параметров тепловых приемников лучистой энергии.

Цель изобретения — повышение точности и. ускорение измерения теплоемкости металлических пленок.

На фиг. 1 схематически изображен вариант конструкции емкостного преобразователя с деформируемой обкладкой; на фиг. 2 — частотная характеристика чувствительности. 15

Измерительный элемент 1 из исследуемой металлической пленки.прикреплен к массивной металлической пластине 2 через изоляционные прокладки

3. Измерительный элемент непосредственно поглощает лучистый поток hW.

Обязательным условием изготовления конденсатора с плоскопараллельными обкладками, выбора его термической формы и размеров, крепления 25 и мощности теплового потока является обеспечение упругой деформации измерительного элемента в режиме измерения.

При радиационном облучении лучис- 30 тая энергия ЬМ поглощается непосред; ственно исследуемой металлической пленкой и. температура ее повышается на ЬТ, что приводит к увеличению ее длины на Ь 0 . Так как пленка, 35 жестко закреплена на концах, ее удли-. нение приводит к прогибу, что вызывает изменение начальной емкости конденсатора на Ь С. На выходе измерительной схемы, в которую включен 40 емкостной преобразователь, получают изменение выходного напряжения Ь П, т.е. преобразование лучистой энергии в электрический сигнал происходит в последовательности h W ь Т-ь8- ь С ь U,g5 что позволяет выразить коэффициент преобразования (вольт-ваттную чувствительность) в общем виде

Ь0 АС ЬК ЬТ

S a > в (1)

ЬС ЬЕ ЬТ hW

hU

В выражении (1) множитель — опреЬС деляет чувствительность измерительной схемы включения конденсатора, lLC 55 определяется конкретной конструкИ 4 цией конденсатора — — коэффифицент

ЬТ линейного расширения исследуемого

&U ЬС материала. Учитывая, что вЂ, — и

hC ьЕ

ЬŠ— являются постоянными величинами

ЬТ для конкретной конструкции изготовленного конденсатора, выражение (1) сводится к виду

ЬТ

S =uC (2) где — постоянная емкостного преобразователя.

Температурная чувствительность тепловых приемников описывается выражением (3) гдето — циклическая частота модуляции лучистого потока;

/\ — тепловая постоянная времени;

R — тепловое сопротивление, зависящее от вида теплообмена приемника с окружающей средой.

Учитывая выражение (3), формула (2) чувствительности емкостного преобразователя принимает вид

S =Zt,, (4) So (5) что является общим законом частотной зависимости чувствительности тепловых преобразователей.

В режиме радиационного теплообмена активного элемента приемника с окружающей средой тепловое сопротивление равно

4 ЕУ АТ (6) кбэффициент поглощения исследуемого материала; постоянная Стефана-Больцмана; площадь измерительного элемента; температура окружающей среды, где где (д = О S = R = S, т.е. получаем чувствительность приемника в немодулированном потоке, и выражение (4) можно записать в виде

1183879 и, учитывая связь между тепловой постоянной времени, теплоемкостью и тепловым сопротивлением, получаем формулу для расчета теплоемкости активного элемента 5

Q = 4fd АТ ь. . (7)

Таким образом, измерение теплоемкости металлических пленок по предлагаемому способу производится в следующей последовательности. 10

Металлическую пленку прямоугольной или круглой формы, предварительно нанесенную, например, на скол кристалла NaC1 отслаивают от подложки и крепят (приклеивают) к ниж- 15 ней обкладке конденсатора (фиг. 1); емкостной преобразователь помещают в термостат и подключают к измерительному прибору. В .режиме радиационного теплообмена измерительного элемента 20 с окружающей средой измеряют выходной электрический сигнал в зависимости от частоты модуляции облучения и по полученным экспериментальным данным строят частотную характеристику. По частотной характеристике определяют частоту модуляции, соответствующую 0,707 максимального уровня выходного сигнала (чувствительности) (фиг. 2), а тепловую 30 постоянную времени рассчитывают по формуле о = /gag . Теплоемкость материала определяют по формуле

G 4ЯД Т А „.

Пример.Алюминиевую фольгу 35 марки АВООО толшчной 10 мкм, полученную методом проката, шириной 1 мм и длиной 20 мм через слюдяные прокладки толщиной 10 мкм приклеивают к нижней обкладке плоскопараллельного конденсатора (фиг. 1). Изготовенный емкостной преобразователь омещают в термостат и подключают к измерителю емкости с выходом на

ЭПП-09. Тепловой поток от макета абсолютно черного тела модулируется механически на дискретных час- тотах, а на выходе регистрируется осциллограмма сигнал — шум, по которой строят частотную характеристику (фиг. 2). Определенная по частотной характеристике тепловая постоянная времени при комнатной температуре измерительного элемента составляет

0,3 с, а вычисленная удельная теплоемкость равна 0,92 ДжГ К, что находится в хорошем соответствии с табличными данными.

Использование предлагаемого способа в сравнении с известными обеспечивает уменьшение погрешности измерения теплоемкости металлических пленок, так как отпадает необходиость абсолютного измерения мощноси лучистого потока и малых изменений емпературы. Кроме того, предлагаемый способ позволяет проводить измерение температурной зависимости теплоемкости металлических пленок и применим для измерения тепловых параметров тепловых приемников лучистой энергии.

1183879 ф 0707

9 а

Часпрома

Составитель В. Гусева

Редактор А. Шишкина Текред О.Ващишина Корректор Г. Решетник

Заказ 6264/44 Тирах 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ухгород, ул. Проектная, 4