RU2274839C2 - Method for measuring lesser alternating heat flows - Google Patents
Method for measuring lesser alternating heat flows Download PDFInfo
- Publication number
- RU2274839C2 RU2274839C2 RU2004111310/28A RU2004111310A RU2274839C2 RU 2274839 C2 RU2274839 C2 RU 2274839C2 RU 2004111310/28 A RU2004111310/28 A RU 2004111310/28A RU 2004111310 A RU2004111310 A RU 2004111310A RU 2274839 C2 RU2274839 C2 RU 2274839C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- membrane
- heat
- heat flows
- junctions
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области микроэлектроники и теплотехники, в частности к способам измерения малых тепловых потоков, и может быть использовано для измерения быстроменяющихся тепловых потоков.The invention relates to the field of microelectronics and heat engineering, in particular to methods for measuring small heat fluxes, and can be used to measure rapidly changing heat fluxes.
Известен способ измерения малых тепловых потоков, в основу которого положен болометрический эффект [1]. Он заключается в изменении сопротивления материала в результате нагрева, вызванного падающим излучением. Эта температурная зависимость характеризуется термическим коэффициентом сопротивленияA known method of measuring small heat fluxes, which is based on the bolometric effect [1]. It consists in a change in the resistance of a material as a result of heating caused by incident radiation. This temperature dependence is characterized by a thermal coefficient of resistance
где R - сопротивление, Т - абсолютная температура образца.where R is the resistance, T is the absolute temperature of the sample.
Способ заключается в том, что болометр (терморезистор) нагревают тепловым потоком, в результате чего меняется его сопротивление согласно формуле (1), затем измеряют напряжение на нагрузочном сопротивлении в цепи болометра, которое будет пропорционально изменению сопротивления болометра.The method consists in the fact that the bolometer (thermistor) is heated by heat flow, as a result of which its resistance changes according to formula (1), then the voltage at the load resistance in the bolometer circuit is measured, which will be proportional to the change in the resistance of the bolometer.
Недостатком указанного способа является низкое быстродействие измерения, которое определяется временем, необходимым для того, чтобы принявший излучение болометр успел охладиться до температуры среды, в которой он находится [1. c.84]. Тепло либо рассеивается в окружающую среду (при этом трудно обеспечить идеальный теплоотвод), либо отводится за счет теплопроводности через подложку или через электрические контакты. Инерционность определяется теплоемкостью чувствительного элемента и теплопроводностью подложки (которую нужно увеличивать, чтобы повысить быстродействие).The disadvantage of this method is the low speed of the measurement, which is determined by the time required for the received bolometer to have time to cool to the temperature of the medium in which it is located [1. p.84]. Heat is either dissipated into the environment (it is difficult to ensure perfect heat dissipation), or is removed due to thermal conductivity through the substrate or through electrical contacts. The inertia is determined by the heat capacity of the sensing element and the thermal conductivity of the substrate (which must be increased to increase speed).
Кроме того, известен способ измерения малых тепловых потоков, являющийся прототипом [2], в основу которого положен термоэлектрический эффект (эффект Зеебека). Эффект Зеебека заключается в том, что в цепи, составленной из двух различных твердых тел (термопаре), при наличии разности температур спаев возникает термоЭДС, пропорциональная разности температур горячего и холодного спаев.In addition, a known method of measuring small heat fluxes, which is the prototype [2], which is based on the thermoelectric effect (Seebeck effect). The Seebeck effect is that in a circuit composed of two different solids (thermocouple), in the presence of a temperature difference of the junctions, thermoEMF occurs, which is proportional to the temperature difference of the hot and cold junctions.
где ΔЕ - величина термоЭДС, (В);where ΔЕ is the value of thermoEMF, (V);
αT - коэффициент термоЭДС, В/К;α T - coefficient of thermoEMF, V / K;
ΔТ=Т2-Т0 - разность температур горячего и холодного спаев, К.ΔТ = Т 2 -Т 0 - temperature difference between hot and cold junctions, K.
Таким образом, измерение температуры термопарой сводится к измерению термоЭДС, которую термопара развивает при строго фиксированной температуре одного из спаев.Thus, measuring the temperature with a thermocouple reduces to measuring the thermopower, which the thermocouple develops at a strictly fixed temperature of one of the junctions.
Способ заключается в том, что один из спаев термопары нагревают падающим потоком, в то время как второй спай (холодный) остается при постоянной температуре, затем измеряют термоЭДС между нагретым и холодным спаями. Чтобы получить максимальный нагрев, следует уменьшить коэффициент теплопередачи, сведя к минимуму потери за счет конвекции и теплопроводности. Для этого помещают приемник в вакуумированный корпус и термоизолируют его держатель. Это уменьшает тепловой поток от горячих спаев к холодным, увеличивает разность температур между спаями и, следовательно, выходной сигнал. Когда, наоборот, первостепенное значение имеет быстродействие, коэффициент теплопередачи увеличивают, помещая приемник в воздухе и укрепляя его на металлической подложке клеем, обладающим хорошей теплопроводностью и электроизолирующими свойствами [3. с.210].The method consists in the fact that one of the junctions of the thermocouple is heated by a falling stream, while the second junction (cold) remains at a constant temperature, then the thermoEMF between the heated and cold junctions is measured. To obtain maximum heating, the heat transfer coefficient should be reduced, minimizing losses due to convection and heat conduction. To do this, place the receiver in a vacuum housing and its holder is thermally insulated. This reduces the heat flow from hot junctions to cold, increases the temperature difference between junctions and, therefore, the output signal. When, on the contrary, speed is of paramount importance, the heat transfer coefficient is increased by placing the receiver in the air and strengthening it on a metal substrate with glue with good thermal conductivity and electrical insulation properties [3. p.210].
Недостатком указанного способа является низкое быстродействие измерения из-за низкого коэффициента теплопередачи.The disadvantage of this method is the low measurement performance due to the low heat transfer coefficient.
Этот вывод подтверждается простыми рассуждениями и решением уравнения теплопроводности. Действительно, при выключении теплового потока разность температур холодного и горячего Т1-Т0 спаев долго сохраняется из-за низкой теплопроводности элементов конструкции. Это приводит к длительному процессу выравнивания температур (Т1-Т0=0), после которого возможен следующий цикл измерений.This conclusion is confirmed by simple reasoning and the solution of the heat equation. Indeed, when the heat flux is turned off, the temperature difference between the cold and hot T 1 -T 0 junctions remains for a long time due to the low thermal conductivity of the structural elements. This leads to a lengthy process of temperature equalization (T 1 -T 0 = 0), after which the next measurement cycle is possible.
Это утверждение подтверждается решением уравнения теплопроводности [3 с.210-211]:This statement is confirmed by the solution of the heat equation [3 p.210-211]:
где С - теплоемкость, W - поток падающего излучения, α - коэффициент поглощения, Go - коэффициент теплопередачи.where C is the heat capacity, W is the incident radiation flux, α is the absorption coefficient, G o is the heat transfer coefficient.
Решение уравнения (1) при включении источника излучения имеет вид:The solution of equation (1) when the radiation source is turned on has the form:
а при выключении источника:and when you turn off the source:
где ΔT=T1-Т0 разность температур, τ - время задержки, равное:where ΔT = T 1 -T 0 the temperature difference, τ is the delay time equal to:
В случае модулированного потока W=W0+W1cos ωt получим установившийся синусоидальный режим нагрева, модуляция которого будет происходить с амплитудойIn the case of a modulated flow W = W 0 + W 1 cos ωt, we obtain a steady-state sinusoidal heating regime, the modulation of which will occur with an amplitude
где 
Из выражений (1-5) видно, что с ростом отношения С/G0 возрастает разность, температур ΔT=T1-T0, с другой стороны также растет время задержки τ [3 с.210-211]. Это объясняется тем, что при уменьшении коэффициента теплопередачи Go время выравнивания температур после выключения излучения будет определяться теплообменом между нагретыми и холодными спаями термопар. Тепловое запаздывание, определяемое временем задержки τ, будет, наоборот, тем меньше (а быстродействие выше), чем больше коэффициент теплопередачи и чем меньше теплоемкость С.From the expressions (1-5) it can be seen that with an increase in the C / G 0 ratio, the difference increases, temperature ΔT = T 1 -T 0 , on the other hand, the delay time τ also increases [3 p.210-211]. This is explained by the fact that with a decrease in the heat transfer coefficient G o , the temperature equalization time after the radiation is turned off will be determined by the heat exchange between the heated and cold junctions of the thermocouples. The thermal delay, determined by the delay time τ, will, on the contrary, be lower (and the speed is higher), the greater the heat transfer coefficient and the lower the heat capacity C.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия измерения малых переменных тепловых потоков.The task of the invention is to increase the speed of measurement of small variable heat fluxes.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения малых тепловых потоков, заключающемся в том, что измеряют величину термоЭДС, возникающую между нагреваемыми и холодными спаями батареи термопар, расположенных на диэлектрической мембране, после проведения процесса измерения между мембраной и термостатированным корпусом прикладывают электрическое поле для осуществления теплового контакта мембраны с термостатированным корпусом для выравнивания температуры спаев. Тепловой поток пропорционален величине измеряемой термоЭДС.This object is achieved by the fact that in the known method of measuring small heat fluxes, namely, that measure the magnitude of thermoEMF arising between heated and cold junctions of thermocouple batteries located on a dielectric membrane, after the measurement process is applied between the membrane and thermostated housing, an electric field is applied to thermal contact of the membrane with a thermostatic housing to equalize the temperature of the junctions. The heat flux is proportional to the value of the measured thermopower.
На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит термостатированный корпус 1, кремниевую подложку 2, на которой последовательно располагаются диэлектрическая мембрана 3, например, из фторида кальция, термопары 4 (батарея термопар) и электрические контакты 5.The drawing shows a structural diagram of a device that implements the proposed method. The device comprises a thermostated housing 1, a silicon substrate 2, on which a dielectric membrane 3 is sequentially arranged, for example, of calcium fluoride, thermocouples 4 (thermocouple battery) and electrical contacts 5.
Способ осуществляется следующим образом. Тепловой поток (hν) нагревает спаи термопар, расположенные в центре мембраны, а периферия находится в условиях термостабилизации. Затем измеряют термоЭДС, пропорциональную разности температур между горячими и холодными спаями. Затем для быстрого выравнивания температуры горячего и холодного спаев после окончания измерения между контактами 5 и корпусом 1 прикладывается разность потенциалов V, вызывающая прогиб мембраны 3, что приводит к выравниванию температур горячего и холодного спаев термопар.The method is as follows. The heat flux (hν) heats the junctions of thermocouples located in the center of the membrane, and the periphery is under thermal stabilization. Then measure the thermopower proportional to the temperature difference between hot and cold junctions. Then, to quickly equalize the temperature of the hot and cold junctions after the measurement is completed, a potential difference V is applied between the contacts 5 and the housing 1, causing the membrane 3 to deflect, which leads to the equalization of the temperatures of the hot and cold junctions of the thermocouples.
При приложении разности потенциалов между термостатированным корпусом датчика и проводящими шинами термопар мембрана прогибается и касается охлаждаемого корпуса датчика. При этом скорость охлаждения горячих спаев батареи термопар пропорциональна площади теплового контакта и, следовательно, приложенному напряжению. При определенных напряжениях и геометрических размерах датчика мембрана 80% своей площади касается охлаждаемого корпуса, что позволяет провести охлаждение за время более чем в 1000 раз меньшее, чем нагрев. Прикладываемое напряжение зависит от конструкции используемого устройства, в частности от материала, формы и геометрических размеров мембраны и может быть рассчитано известными способами [4].When a potential difference is applied between the thermostated sensor housing and the conductive thermocouple busbars, the membrane bends and touches the cooled sensor housing. In this case, the cooling rate of the hot junctions of the thermocouple battery is proportional to the area of thermal contact and, therefore, to the applied voltage. At certain voltages and geometrical dimensions of the sensor, the membrane 80% of its area touches the cooled case, which allows for cooling for more than 1000 times less time than heating. The applied voltage depends on the design of the device used, in particular on the material, shape and geometric dimensions of the membrane and can be calculated by known methods [4].
Таким образом, если временной фронт нарастания температуры остается неизменным, то фронт спада, обычно имеющий такое же характеристическое время, становится очень коротким. В этом случае быстродействие измерения теплового потока увеличивается.Thus, if the temporal front of the rise in temperature remains unchanged, then the decline front, usually having the same characteristic time, becomes very short. In this case, the speed of measuring the heat flux increases.
ЛитератураLiterature
1. Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов. Под ред. Р.ДЖ.Киеса. М.: Радио и связь, с.33, 1985.1. Photodetectors of visible and infrared ranges. Ed. R.J. Kiesa. M .: Radio and communication, p. 33, 1985.
2. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высшая школа, с.110, 1977.2. Oreshkin P.T. Physics of semiconductors and dielectrics. M.: Higher School, p. 110, 1977.
3. Ж.Аш с соавторами. М.: Мир, т 1, 1992.3. J. Ash et al. M.: Mir, t 1, 1992.
4. Драгунов В.П. Микромеханические системы с электростатическим управлением - Научный вестник НГТУ. - № 1(14), с.63-72.4. Dragunov V.P. Micromechanical systems with electrostatic control - Scientific Bulletin of NSTU. - No. 1 (14), pp. 63-72.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004111310/28A RU2274839C2 (en) | 2004-04-13 | 2004-04-13 | Method for measuring lesser alternating heat flows |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004111310/28A RU2274839C2 (en) | 2004-04-13 | 2004-04-13 | Method for measuring lesser alternating heat flows |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2274839C2 true RU2274839C2 (en) | 2006-04-20 |
Family
ID=36608381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004111310/28A RU2274839C2 (en) | 2004-04-13 | 2004-04-13 | Method for measuring lesser alternating heat flows |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2274839C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103163463A (en) * | 2011-12-12 | 2013-06-19 | 北汽福田汽车股份有限公司 | Detection method for lithium ion batteries |
-
2004
- 2004-04-13 RU RU2004111310/28A patent/RU2274839C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| П.Т.ОРЕШКИН. Физика полупроводников и диэлектриков. - М.: Высшая школа, 1977, с.110. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103163463A (en) * | 2011-12-12 | 2013-06-19 | 北汽福田汽车股份有限公司 | Detection method for lithium ion batteries |
| CN103163463B (en) * | 2011-12-12 | 2015-05-20 | 北汽福田汽车股份有限公司 | Detection method for lithium ion batteries |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPS61124859A (en) | Humidity detection element | |
| JP4234475B2 (en) | Thermoelectric element performance evaluation apparatus and thermoelectric element performance evaluation method | |
| JP5076235B2 (en) | Thermocouple heater and temperature measurement device using the same | |
| KR101401275B1 (en) | Contactless temperature measuring apparatus and contactless temperature measuring method | |
| RU2274839C2 (en) | Method for measuring lesser alternating heat flows | |
| Han et al. | A built-in temperature sensor in an integrated microheater | |
| Dillner et al. | Low power consumption thermal gas-flow sensor based on thermopiles of highly effective thermoelectric materials | |
| Adhikari | Thermocouple: facts and theories | |
| Hassanzadeh et al. | A new self-powered temperature sensor based on thermoelectric generators | |
| JP4580562B2 (en) | Non-contact temperature sensor and infrared thermometer using the same | |
| Taylor et al. | A model for the non-steady-state temperature behaviour of thermoelectric cooling semiconductor devices | |
| JPH0345778B2 (en) | ||
| KR101072290B1 (en) | thermoelectric sensor using Ge material | |
| JPH08316533A (en) | Thermoelectric conversion performance evaluation method and device | |
| Fujiki et al. | Development on measurement method for Thomson coefficient of thin film | |
| JPH023311B2 (en) | ||
| CN112729567A (en) | Novel infrared thermopile sensor chip and preparation method | |
| Jeyashree et al. | Experimental analysis of thermoelectric generator using solar energy | |
| Vidhya et al. | Peltier Module for Theremoelectric Heating and Cooling | |
| Lee et al. | Short-circuit measurement by Seebeck current detection of a single thermocouple and its application | |
| US3234463A (en) | High-frequency measuring apparatus including semimetal thermoelectric junction means | |
| SU473106A1 (en) | Thermal comparator for thermocomparing of alternating and direct currents and voltages | |
| Parveen et al. | Measurement of Power By Varying Load Resistance–Thermoelectric Generator | |
| JP2004309330A (en) | Temperature indicator system | |
| Yamaguchi et al. | Fabrication of a unipolar Peltier device using a pair of N-type thermoelectric materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090414 |