RU30435U1

RU30435U1 - Устройство для измерения теплового сопротивления тонкослойных покрытий

Info

Publication number: RU30435U1
Application number: RU2002130929/20U
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Антипов; В.Е. Гладков; В.К. Гладкова
Original assignee: Калининградский государственный технический университет
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2003-06-27

Description

УСТЮЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОНКОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ.

Устройство для измерения термического сопротивления тонкослойных покрытий относится к области испытаний с применением тепловь1Х(федств, в частности к исследованиям теплофизических свойств материалов.

Известно устройство для определения термического сопротивления, состоящее из массивного медного стержня, на полированную поверхность торца которого наносится исследуемое покрытие, источника излучения, приемника излучения, фокусирующей системы (Blewin W.R, Brown W.J, Black coatings for absolute radiometers // Metrologia, 1966, v. 2, N 4, p. 140-143).

Недостатком установки является то, что измерение температуры поверхности исследуемого покрытия, пропорциональной термическому сопротивлению, определяется по изменению собственного излучения покрытия, величина которого соизмерима с тепловыми шумами приемника излучения. Кроме того, в расчетное соотношение входят такие параметры, как коэффициент излучения покрытия, коэффициент пропускания фильтра, коэффициент отражения эталонного отражателя, величины которых определяются с большими погрешностями.

Известно устройство для измерения термического сопротивления покрытий приемников излучения, содержащее нагреватель исследуемого покрытия, термоэлемент, источник излучения, термохолодильник, термобатарею и термостат. Для исключения контактного термического сопротивления при

измерении температуры поверхности покрытия термоэлемент снабжен электронагревателем и для предотвращения нагрева от источника излучения имеет антирадиационное по1фытие ( а.с. СССР № 1080607, кл. G 01 N 25/18, 1982/ Устройство для измерения термического сопротивления покрытий приемников излучения /КарГУ, В.Е.Гладков, А.И.Перевертун/Т). С целью исключения затенения исследуемого ПО1ФЫТИЯ термоэлементом устройство дополнительно содержит источник излучения, снабженный системой диафрагм и объекткшом, предназначенными для создания на исследуемой поверхности светового пятна, по форме и месту положения совпадающим с областью затенения ( а.с. СССР № 1226996, кл. G 01 N 25/18, 1984/ Устройство для измерения термического сопротивления покрытий приемников излучения /КарГУ, В.Е. Гладков, В.К. Ботян/Т).

Недостатком известного устройства является громоздкость системы измерения температуры поверхности образца в фазах нагрева его излучением и электрическим током и увеличение погрешности измерения из-за использования дополнительного источника излучения.

Целью создания изобретения является повышение точности измерения и упрощение конструкции установки для измерения термического сопротивления тонкослойных покрытий.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения термического сопротивления тонкослойных покрытий, содержащее нагреватель, источник , термобатарею, термоэлектрический холодильник и термостат, дополнительно содержит дифференциальную термопару, спаи которой прикреплены к тонким металлическим пластинам с высокой теплопроводностью, между которыми размещено исследуемое покрытие, причем одна из пластин установлена на нагреватель, который, в свою очередь, приведен в

тепловой контакт с термоэлектрическим холодильником, другая пластина покрыта поглощающим веществом и служит приемником излучения, при этом одни спаи термобатареи размещены между нагревателем и холодильником, а другие соединены с термостатом.

Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что использование дифференциальной термопары в сочетании с тонкими пластинами из материала с хорощей теплопроводностью, одна из которых по1фыта поглощающим излучение веществом, а помещена на термоэлектрический холодильник, позволяет отказаться от термоэлемента с подогревом и дополнительного источника излучения, используемого для исключения затенения исследуемого покрытия термоэлементом. Упрощение конструкции устройства позволяет уменьщить и погрепшость измерения, обусловленную использованием дополнительных конструктивных элементов.

Работоспособность устройства вытекает из анализа температурного поля приемного блока (фиг.1). Приемный блок в нормальном направлении представляет собой многослойную систему (поглощающее покрытие и металлическая пластина 1, исследуемое покрытие 2, спираль-нагреватель и металлическая пластина 3, электроизоляционный слой 4, термоэлектрический холодильник 5). В касательном направлении неоднородной является спираль-нагреватель. Однако при рассмотрении осесимметричной задачи теплопроводности неоднородностью спирали-нагревателя можно пренебречь, так как расстояние между витками спирали значительно меньше толшд ны витка.

Таким образом, приемный блок рассмотрим в виде четырехслойной пластины, помещенной в термоэлектрический холодильник.

Температурное поле в приемном блоке устройства найдем методом электротепловой аналогии: вместо тепловой схемы приемного блока рассмотрим эквивалентную ей элекгрическую.

Поверхности слоев приемного блока устройства и внутренняя поверхность корпуса прибора изотермичны, что достигается понижением температуры исследуемого покрытия до температуры О1фужающей среды.

Тепловые сопротивления слоев приемного блока обозначим через RJ (J ,,А), тепловое сопротивление, обратно пропорционапьное коэффициенту теплообмена поверхности первого слоя с окружающей средой, соответственно, через RB.

В фазе нафева исследуемого покрытия потоком излучения поверхностью первого слоя поглощается поток Wл, в фазе нагрева электрическим током в объеме третьего слоя выделяется теплота W и поверхностью первого слоя поглощается поток Wл, обусловленный тепловым излучением шторки, перекрывающей лучистый поток и излучением нагретых диафрагм. Теплообмен первого слоя с окружающей средой происходит по закону Ньютона. Тепловые потоки, поглощаемые термохолодильником в фазах нагрева приемного блока потоком излучения и электрическим током, равны, соответственно Wлx и Wэx.

Тепловые потоки с боковых поверхностей слоев приемного блока WJ а 1,2,3,4) определяются эмпирическими зависимостями, описывающими теплообмен в замкнутом пространстве

Wj Fj (4о8„То + 0,906 Az /:Аг)Д

,

где а - постоянная Стефана-Больцмана, е п и AT, - приведенный коэффициент и разность температур боковой поверхности слоев приемного блока окружающей среды, FJ - боковая поверхность j-ro слоя, da ид}- вн тренний диаметр корпуса и диаметр приемного блока.

Эквивалентные схемы в стационарном режиме представляют собой цепи с сосредоточенными параметрами (фиг. 2 (а, в)). В схемах приняты допущения: объемный источник энергии W в приемном блоке заменен на поверхностный, расположенный в средней плоскости третьего слоя. Тепловые потоки с боковой поверхности выделенных слоев приемного блока отводятся от средних точек соответствующих тепловых сопротивлений.

Из расчета схем замещения находим разности температур границ 1-ГО-2-ГО и 2-го-З-го слоев в фазах нагрева приемного блока потоком излучения и электрическим током, соответственно AV л (R2/Кв4) WлRв-Wлl(R« + RI / 2)- (Rвl-Rз4) + Wлз(R2/2 + Rз) +

+ Wл4R4/2 (1)

Av3 (R2/RB4)W(R3/2 + R4) + W3i(RB +

+ Ri / 2) - W321/2 (RBI - R34) - W33 (R3/2

+ R4)-Wэ4R4/2-Wл.(2)

где RB4 RB+i;Ri; + RI ; R34 R3+R4;

Wлl, Wл2, Wj3, Wл4 и Wgi, W32, W33, W34 - тепловью потоки с боковой поверхности слоев приемного блока, соответственно, при лучистом и электрическом нагревах.

Согласно используемой методике измерений термического сопротивления, температура на границе приемного блока и термохолодильника одинакова и равна температуре окружающей среды в фазах нагрева потоком излучения и электрическим током. В этом случае можно считать равными тепловые потоки от приемного блока к термохолодильнику в обоих фазах нагрева. Из этого условия определяем соотношение между WaH W. (Rв2 + Rз/2) + (Wяl-Wэl)(Rв +

+ Ri/2) + (Wл2 - W32)(RBl + R2/2) +

+ (Wn3 - W33)(RB2 + R3/2) + (Wд4 - W34) (RB3 + R /2) + (3) Из формул (1, 2, 3) находим

ДУл + АУэ + l/2(Wn2 - W32) +

+ (WлЗ-Wэз) + (Wл4-Wэ4)(4)

Разности тепловых потоков в формуле (4) не превышает 0,01% W. Пренебрегая малыми членами, находим

АУл+ АУэ .(5)

Таким образом, проведенные рассуждения показывают, что термическое сопротивление исследуемого покрытия пропорционально сумме показаний дифференциальной термопары, соответственно, в фазах нагрева приемного блока потоком излучения и электрическим током.

Существенно новым, отличительным признаком в заявляемом устройстве для измерения термического сопротивления тонкослойных покрытий является использование дифференциальной термопары, спаи которой припаяны к тонким металлическим пластинам

с хорошей теплопроводностью, одна из которых помещается на нагреватель, а другая покрывается поглощающим излучение веществом и слзокит приемником радиации. Это позволяет заменить контактное измерение температуры поверхности измерением температуры вн)пгренних точек многослойной системы, что зшрощает устройство в целом и уменьшает погрешность измерений.

Устройство для измерения термического сопротивления имеет дифференциальную термопару 1, тонкие металлические пластины с хорошей теплопроводностью 2, покрытие из вещества, поглощающего излучение 3, нагреватель 4, представляющий собой плоскую проволочную спираль бифилярной намотки, термоэлектрический холодильник 5, термобатарею 6, термостат 7, блок питания и управления 8, потенциометр 9, источник излучения с системой диафрагм 10.

Спаи дифференциальной термопары 1 припаяны к тонким металлическим пластинам с хорошей теплопроводностью 2, поверхность одной пластины покрывается поглощающим излучение веществом 3, а другая пластина помещается на нагреватель 4, который расположен на термоэлектрическом холодильнике 5. Между холодильником и нагревателем заделываются спаи термобатареи 6, другие спаи которой находятся на термостате 7. Выходы нагревателя и холодильника соединены с блоком питания и управления 8, а выходы дифференциальной термопары 1 и термобатареи 6 соединены с потенциометром 9. Исследуемое покрытие 11 помещено между пластинами 2.

Устройство для измерения термического сопротивления работает следующим образом.

и нагреватель 4. Путем изменения тока в цепи термохолодильника 5 тепло от покрытия 3 и нагревателя 4 отводится таким образом, чтобы температура в месте расположения внутренних спаев термобатареи 6 стала равной температуре термостата 7, о чем можно судить по сигналу термобатареи 6, фиксируемому потенциометром 9. С помощью этого же потенциометра снимается сигнал с дифференциальной термопары 1, пропорциональный разности температур на верхней и нижней поверхностях исследуемого покрытия 11 в фазе лучистого нагрева устройства.

Не изменяя электрического тока в цепи термохолодильника 5, перекрывают поток излучения от источника 10 и одновременно включают электрическз ю цепь нагревателя 4. Электрический ток в нагревателе 4 подбирают так, чтобы выделяющееся в витках тепло нагревателя тепло было эквивалентно теплу, поступавшему в него от источника излучения 10, о чем можно судить по нулевому сигналу в термобатарее 6.

По сигналу дифференциальной термопары 1 определяют разность температур верхней и нижней поверхностей исследуемого покрытия 11 в фазе нагрева устройства электрическим током. По величине силы тока в цепи нагревателя определяется мощность электрического нагрева.

Устройство может найти применение в теплофизике для исследования теплофизических свойств тонких покрытий, в измерительной технике и актинометрии для измерения термических сопротивлений тонкослойных покрытий.

От заявителя:

Нач. патентного отд. КГТУ

JA ( ОдносумЛ.А.

Claims

Устройство для измерения термического сопротивления тонкослойных покрытий, содержащее нагреватель, источник теплового излучения, термобатарею, термоэлектрический холодильник и термостат, отличающееся тем, что оно содержит дифференциальную термопару, спаи которой прикреплены к тонким металлическим пластинам с высокой теплопроводностью, между которыми размещено исследуемое покрытие, при этом одна из пластин размещена на нагревателе, взаимосвязанном с термоэлектрическим холодильником, а другая служит приемником излучения, причем одни спаи термобатареи размещены между нагревателем и холодильником, а другие соединены с термостатом.