TWI570412B - 熱探針 - Google Patents
熱探針 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI570412B TWI570412B TW105100083A TW105100083A TWI570412B TW I570412 B TWI570412 B TW I570412B TW 105100083 A TW105100083 A TW 105100083A TW 105100083 A TW105100083 A TW 105100083A TW I570412 B TWI570412 B TW I570412B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- curve
- thermal
- temperature
- heater
- thermal probe
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K3/00—Thermometers giving results other than momentary value of temperature
- G01K3/08—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving differences of values; giving differentiated values
- G01K3/10—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving differences of values; giving differentiated values in respect of time, e.g. reacting only to a quick change of temperature
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Description
本揭露是有關於一種具有溫測元件的熱探針。
雖然傳統穩態法熱導率量測技術雖然可準確、直接地量測熱導率;然而,所需的樣品大且達到熱平衡的量測時間通常需要耗費數小時,此並不符合成本效益。
因此,本揭露提出一種熱探針,具有縮短量測時間、降低量測誤差、操作簡易、樣品備製容易及/或量測範圍廣等優點。
根據本揭露之一實施例,提出一種熱探針。熱探針包括一加熱器、一冷卻器、一溫測元件、一熱傳導元件及一處理器。加熱器用以加熱一物體。冷卻器用以冷卻物體。溫測元件用以量測物體的一溫升曲線及物體的一溫降曲線。熱傳導元件用以傳導加熱器與物體之間的熱量。處理器用以根據溫升曲線及溫降曲線的至少一者,決定物體的一熱特性。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解,下文特舉多個實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下:
10‧‧‧物體
100‧‧‧熱探針
110‧‧‧插入部
120‧‧‧非插入部
130‧‧‧加熱器
135‧‧‧填充劑
140‧‧‧熱傳導元件
141‧‧‧第一部分
142‧‧‧第二部分
150‧‧‧溫測元件
160‧‧‧冷卻器
165‧‧‧電源供應器
170‧‧‧放大器
180‧‧‧處理器
190‧‧‧顯示器
C1‧‧‧熱導曲線
C2‧‧‧溫升曲線
C21‧‧‧初始暫態曲線
C211、C311‧‧‧端點
C22‧‧‧上升線性段
C221‧‧‧第一重疊曲線
C23‧‧‧穩態上升曲線
C3‧‧‧溫降曲線
C31‧‧‧初始穩態曲線
C32‧‧‧下降線性段
C321‧‧‧第二重疊曲線
C33‧‧‧暫態下降曲線
k1、k2、k3、k4‧‧‧熱導率
t0、t1、t2、ts、t3、t4、t5‧‧‧時間點
T1、T 1、T2、T3、T4、 T 4‧‧‧溫度
Q‧‧‧單位長度熱量
第1圖繪示依照本揭露一實施例之熱探針的示意圖。
第2圖繪示第1圖之熱探針所量得之物體的溫升曲線及溫降曲線的示意圖。
第3圖繪示第2圖之溫升曲線及溫降曲線重疊的示意圖。
第1圖繪示依照本揭露一實施例之熱探針100的示意圖。熱探針100包括一插入部110、一非插入部120、一加熱器130、一填充劑135、一熱傳導元件140、一溫測元件150、一冷卻器160、一電源供應器165、一放大器170、一處理器180及一顯示器190。
插入部110可插入一物體10,用以量測物體10的一熱特性,如熱導率(thermal conductivity)。非插入部120連接插入部110,且當插入部110插入物體10內時,非插入部120位於物體10外部。
加熱器130例如是熱線(heat wire)。加熱器130可加熱物體10且用以量測物體10的熱特性。為了穩固加熱器130及熱傳導元件140,填充劑135可包覆加熱器130及熱傳導元件140。
在一實施例中,填充劑135以例如是低熱導率的材料形成,如環氧樹脂(epoxy)。雖然加熱器130被具有低熱導率的填充劑135包覆,加熱器130所產生的單位長度的熱量透過熱傳導元件140能有效率地傳導到物體10。
熱傳導元件140可均勻地且快速地傳導加熱器130與物體10之間的熱量。在本實施例中,熱傳導元件140例如是熱管(heat pipe)。熱
管具有一高熱導率,因此可均勻地傳導熱量到物體10。詳細地說,如第1圖所示,熱導曲線C1顯示從插入部110到物體的熱量呈一直線變化。
熱傳導元件140也可傳導物體10的熱量到溫測元件150,使溫測元件150可量測物體10的溫度,例如是暫態溫度(transient temperature)及/或穩態溫度(steady temperature)。此外,因為熱傳導元件140僅傳導但不吸收熱量,所測得的物體10的暫態平衡溫度可以更準確,即,利用熱傳導元件140提高熱探針100內的均溫性能力,同時將其量測物體10溫度的溫測元件150的位置移至熱傳導元件140頂部,可減少溫測元件150本身與填充物135之比熱的影響。在一實施例中,溫測元件150例如是熱電耦(thermocouple)、熱電調節器(thermistor)等。
此外,熱傳導元件140包括一第一部分141及一第二部分142。第一部分141設於插入部110內,而第二部分142設於非插入部120內。
溫測元件150鄰近熱傳導元件140設置。例如,溫測元件150鄰近熱傳導元件140的第二部分142設置。因為熱傳導元件140具有一高熱導率(例如,高至5000W/m-k),因此傳導到熱傳導元件140的任一點的溫度係均勻的,因此溫測元件150量得的溫度能夠表示物體10的真實暫態平衡溫度。在本實施例中,溫測元件150可設於熱傳導元件140的一端。在另一實施例中,溫測元件150可設於熱傳導元件140的任一部位,例如是第一部分141的任一部位或第二部分142的任一部位。
冷卻器160可冷卻加熱器130,使物體10的溫度下降。物體10的下降溫度可由溫測元件150測得。在一實施例,冷卻器160例如是
熱電冷卻模組(thermoelectric cooling module,TEC)。
電源供應器165可受控於處理器180且可提供電力給加熱器130及冷卻器160。
放大器170可接收溫測元件150所量得的溫度的電壓訊號,並視需要而放大電壓訊號。然後,放大器170可傳輸放大後的電壓訊號給處理器180。
處理器180可處理放大後的電壓訊號,以獲得物體10的溫度。顯示器190可顯示物體10的溫度。
第2圖繪示第1圖之熱探針100所量得之物體10的溫升曲線C2及溫降曲線C3的示意圖。第2圖為溫度T與時間的半對數座標,其中的縱座標表示溫度(℃),橫坐標表示對時間(秒)。加熱器130所產生的單位長度的熱量可於物體10內傳導。由於熱傳導,溫測元件150可量測物體10的溫升曲線C2。
如第2圖所示,溫升曲線C2包括一從時間點t0至t1的初始暫態曲線(initial transient curve)C21、一從時間點t1至t2的上升線性段C22及一從時間點t2至ts的穩態上升曲線C23。相較於省略熱傳導元件140的設計,本實施例之初始暫態曲線C21及穩態上升曲線C23係較短,且由於熱傳導元件140的高熱導率,上升線性段C22係較長。此外,因為加熱器130可均勻地且快速地傳導熱量,初始暫態曲線C21及穩態上升曲線C23可縮短,而上升線性段C22可增長。
處理器180可根據上升線性段C22的斜率,計算物體10的熱傳導率。
例如,如下式(1)所示,物體10的熱導率k1可由式(1)計算。在式(1)中,Q(W/m)表示加熱器130所產生的單位長度熱量,T2表示物體10在上升線性段C22之時間點t2的溫度、T1表示物體10在上升線性段C22之時間點t1的溫度。
因為物體10的熱導率可在穩態前獲得,使穩態上升曲線C23及/或初始暫態曲線C21可以縮短,熱導率的計算時間及所需量測時間可縮短。
當溫升曲線C2的斜率小於一預設值,如在時間點ts時約為0.5,表示溫升曲線C2到達穩態,因此處理器180可據以控制冷卻器160去冷卻物體10,且同時控制加熱器130停止加熱物體10。在另一實施例中,當溫升曲線C2的斜率變化小於一預設值,表示溫升曲線C2到達穩態,因此處理器180可據以控制冷卻器160去冷卻物體10,且同時控制加熱器130停止加熱物體10。
在一些實施例中,處理器180可使用例如是模擬技術,在一預設時間區間內,決定初始暫態曲線C21的區域、上升線性段C22的區域及穩態上升曲線C23的區域。在經過此預設時間區間後,處理器180控制加熱器130停止加熱物體10,且同時控制冷卻器160開始冷卻物體10,直到物體10的溫度t5回到初始溫度,如時間點t0時的溫度。
如第2圖所示,溫降曲線C3包括包括一從時間點ts至t3的初始穩態曲線(initial steady curve)C31、一從時間點t3至t4的下降線性段
C32及一從時間點t4至t5的暫態下降曲線C33。相較於省略熱傳導元件140的設計,本實施例之初始穩態曲線C31及暫態下降曲線C33係較短,且由於熱傳導元件140的高熱導率,下降線性段C32係較長。此外,因為加熱器130可均勻地且快速地傳導熱量,初始穩態曲線C31及暫態下降曲線C33可縮短,而下降線性段C32可增長。
處理器180可依據暫態下降曲線C33去計算物體10的熱導率。
例如,如下式(2)所示,物體10的熱導率k2可由式(2)計算。在式(2)中,T3表示物體10在下降線性段C32之時間點t3的溫度、T4表示物體10在下降線性段C32之時間點t4的溫度。
在一實施例中,物體10的熱導率k2可等於或不同於物體10的熱導率k1。若物體10的熱導率k2不同於物體10的熱導率k1,處理器180可計算熱導率k1與k2的平均值。
第3圖繪示第2圖之溫升曲線C2及溫降曲線C3重疊的示意圖。相較於第2圖,第3圖的溫降曲線C3位移而與溫升曲線C2重疊。例如,溫降曲線C3中對應時間點ts(繪示於第2圖)的端點C311可與溫升曲線C2中對應時間點t0的端點C211重疊。
處理器180可依據溫升曲線C2及溫降曲線C3決定物體10的熱特性。
舉例來說,如第3圖所示,處理器180可決定上升線性段
C22的一第一重疊曲線C221,其中第一重疊曲線C221與下降線性段C32重疊,並計算第一重疊曲線C221的斜率。詳細來說,從時間點t1至t4的第一重疊曲線C221與下降線性段C32重疊,且處理器180可計算第一重疊曲線C221的斜率。第一重疊曲線C221的斜率表示物體10的熱特性,如熱導率。
例如,如下式(3)所示,物體10的熱導率k3可由式(3)計算。在式(3)中,Q表示加熱器130所產生的單位長度熱量,表示物體10在第一重疊曲線C221中對應時間點t4的時間點(如第2圖所示)的溫度,而T1表示物體10在第一重疊曲線C221之時間點t1的溫度。
相似地,如第3圖所示,處理器18o可決定下降線性段C32的一第二重疊曲線C321,其中第二重疊曲線C321與上升線性段C22重疊,且計算第二重疊曲線C321的斜率。詳細地說,從時間點到時間點的第二重疊曲線C321與上升線性段C22重疊,且處理器180可計算第二重疊曲線C321的斜率。第二重疊曲線C321的斜率表示物體10的熱特性,如熱導率。
例如,如下式(4)所示,物體10的熱導率k4可由式(4)計算。在式(4)中,表示物體10在第二重疊曲線C321中對應時間點t 1的時間點(如第2及3圖所示)的溫度,而T 4表示物體10在第二重疊曲線C321之時間點t4的溫度。
因為第一重疊曲線C221及第二重疊曲線C321於上升線性段C22及下降線性段C32的線性區域重疊,因此熱導率k3及k4大致上相等。此外,因為上升線性段C22與下降線性段C32的重疊,可增加斜率的精確度,因此可增加物體10的熱導率。
綜上所述,雖然本揭露已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本揭露之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾。因此,本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧物體
100‧‧‧熱探針
110‧‧‧插入部
120‧‧‧非插入部
130‧‧‧加熱器
135‧‧‧填充劑
140‧‧‧熱傳導元件
141‧‧‧第一部分
142‧‧‧第二部分
150‧‧‧溫測元件
160‧‧‧冷卻器
165‧‧‧電源供應器
170‧‧‧放大器
180‧‧‧處理器
190‧‧‧顯示器
C1‧‧‧熱導曲線
Claims (12)
- 一種熱探針,包括:一加熱器,用以加熱一物體;一冷卻器,用以冷卻該物體;一溫測元件,用以量測該物體的一溫升曲線及該物體的一溫降曲線;一熱傳導元件,用以傳導該加熱器與該物體之間的熱量;一處理器,用以根據該溫升曲線及該溫降曲線的至少一者,決定該物體的一熱特性;其中,該加熱器環繞該熱傳導元件配置,該溫測元件鄰近該熱傳導元件配置,該處理器電性連接於該加熱器、該冷卻器及該熱傳導元件;其中,該溫升曲線具有一上升線性段,該溫降曲線具有一下降線性段,該處理器用以操作在:決定該上升線性段的一第一重疊線段,其中該第一重疊線段與該下降線性段重疊;決定該下降線性段的一第二重疊線段,其中該第二重疊線段與該上升線性段重疊;及計算該第一重疊線段與該第二重疊線段的一平均斜率,其中該平均斜率做為該熱特性。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,其中該熱傳導元 件係一熱管(heat pipe)。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,其中該冷卻器係一熱電冷卻模組(thermoelectric cooling module,TEC)。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,其中該溫測元件係一熱電耦(thermocouple)。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,其中該溫測元件鄰近該熱傳導元件的一第二部分設置。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,更包括:一插入部,用以插入該物體;以及一非插入部,連接於該插入部;其中,該熱傳導元件的一部分設於該非插入部內,且該熱傳導元件的另一部分設於該插入部內。
- 如申請專利範圍第6項所述之熱探針,其中該溫測元件鄰近該非插入部設置。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,其中該處理器用以操作在:控制該冷卻器去冷卻該物體;以及當該溫升曲線的一斜率或一斜率變化量小於一預設值,控制該加熱器停止加熱該物體。
- 如申請專利範圍第8項所述之熱探針,其中該處理器用以操作在:當該冷卻器開始冷卻該物體時,控制該加熱器停止加熱該物體。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,更包括:一填充劑,包覆該熱傳導元件及該加熱器。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,其中該熱特性係熱導率(thermal conductivity)。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱探針,其中該溫升曲線更包括一初始暫態曲線及一穩態上升曲線,該處理器用以操作在: 在一預設時間區間內決定該初始暫態曲線的區域、該上升線性段的區域及該穩態上升曲線的區域;以及在加熱該物體的該預設時間區間經過後,控制該加熱器停止加熱該物體且同時控制該冷卻器開始冷卻該物體。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US14/843,990 US9891180B2 (en) | 2015-09-02 | 2015-09-02 | Thermal needle probe |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
TWI570412B true TWI570412B (zh) | 2017-02-11 |
TW201710683A TW201710683A (zh) | 2017-03-16 |
Family
ID=58097867
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
TW105100083A TWI570412B (zh) | 2015-09-02 | 2016-01-04 | 熱探針 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9891180B2 (zh) |
TW (1) | TWI570412B (zh) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108918580B (zh) * | 2018-04-28 | 2021-03-26 | 上海工程技术大学 | 一种无损稳态导热率测量方法 |
US11073429B2 (en) * | 2018-09-24 | 2021-07-27 | Rosemount Inc. | Non-invasive process fluid temperature indication for high temperature applications |
CN112771357B (zh) | 2018-09-28 | 2024-07-02 | 罗斯蒙特公司 | 减少误差的非侵入式过程流体温度指示 |
WO2023213207A1 (en) * | 2022-05-02 | 2023-11-09 | ACS Thermal LLC | Electrothermal characterization of micro-scale and nano-scale samples and related systems |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6182666B1 (en) * | 1996-12-26 | 2001-02-06 | Cryogen, Inc. | Cryosurgical probe and method for uterine ablation |
JP2009145204A (ja) * | 2007-12-14 | 2009-07-02 | Asahi Kasei Homes Co | 地中熱伝導率計測用のプローブ、地中熱伝導率計測装置及び地中熱伝導率計測方法 |
TW201025497A (en) * | 2008-12-19 | 2010-07-01 | Secron Co Ltd | Stage unit for a probe station and apparatus for testing a wafer including the same |
CN101755196B (zh) * | 2007-07-19 | 2011-12-28 | 朗姆研究公司 | 具有绝热尖端的温度探针 |
CN202994698U (zh) * | 2012-11-16 | 2013-06-12 | 广州海洋地质调查局 | 一种热导率测量探针 |
CN102949237B (zh) * | 2011-08-24 | 2014-12-31 | 中国科学院理化技术研究所 | 基于液态金属的探针加热装置 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4344315A (en) | 1978-12-29 | 1982-08-17 | Ceres Electronics Corporation | Method and device for distinguishing material by thermal conductivity |
US5115127A (en) * | 1990-01-03 | 1992-05-19 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Optical fiber sensor for measuring physical properties of fluids |
TW585252U (en) | 2001-09-25 | 2004-04-21 | Chuen-Tian Shiu | Multi-functional three-line seabed thermal probe structure |
JPWO2006033281A1 (ja) * | 2004-09-24 | 2008-05-15 | 株式会社東芝 | 超音波プローブ |
EP2057952B1 (en) * | 2007-11-09 | 2014-01-29 | AFreeze GmbH | Cooling system for a catheter |
TW201024636A (en) | 2008-12-19 | 2010-07-01 | Yangtze Intellectual Property Solutions Co Ltd Tw | Semiconductor mist type air conditioning device |
US8220989B1 (en) | 2009-09-30 | 2012-07-17 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Method and apparatus for measuring thermal conductivity of small, highly insulating specimens |
CN101803947B (zh) | 2010-03-11 | 2012-09-05 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种用于肿瘤冷热联合治疗的冷热探针装置 |
US9316545B2 (en) * | 2011-07-11 | 2016-04-19 | California Institute Of Technology | Scanning measurement of Seebeck coefficient of a heated sample |
-
2015
- 2015-09-02 US US14/843,990 patent/US9891180B2/en active Active
-
2016
- 2016-01-04 TW TW105100083A patent/TWI570412B/zh active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6182666B1 (en) * | 1996-12-26 | 2001-02-06 | Cryogen, Inc. | Cryosurgical probe and method for uterine ablation |
CN101755196B (zh) * | 2007-07-19 | 2011-12-28 | 朗姆研究公司 | 具有绝热尖端的温度探针 |
JP2009145204A (ja) * | 2007-12-14 | 2009-07-02 | Asahi Kasei Homes Co | 地中熱伝導率計測用のプローブ、地中熱伝導率計測装置及び地中熱伝導率計測方法 |
TW201025497A (en) * | 2008-12-19 | 2010-07-01 | Secron Co Ltd | Stage unit for a probe station and apparatus for testing a wafer including the same |
CN102949237B (zh) * | 2011-08-24 | 2014-12-31 | 中国科学院理化技术研究所 | 基于液态金属的探针加热装置 |
CN202994698U (zh) * | 2012-11-16 | 2013-06-12 | 广州海洋地质调查局 | 一种热导率测量探针 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20170059498A1 (en) | 2017-03-02 |
TW201710683A (zh) | 2017-03-16 |
US9891180B2 (en) | 2018-02-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI570412B (zh) | 熱探針 | |
CN103105506B (zh) | 检测传感器的热时间常数的风速计 | |
US11686626B2 (en) | Apparatus, systems, and methods for non-invasive thermal interrogation | |
US20200225096A1 (en) | Temperature measuring device and method for determining temperature | |
CN105562133A (zh) | 一种空气浴恒温装置 | |
CN114424035A (zh) | 非侵入式温度计 | |
TWI253922B (en) | Electronic body-temperature thermometer | |
JP6021954B2 (ja) | 液面検知装置及び冷凍空調装置 | |
JP5078703B2 (ja) | 熱的接合材の熱伝導率測定装置および測定方法 | |
CN204330183U (zh) | 一种组合式热电偶检定炉 | |
CN105738009B (zh) | 一种用于温度监测器的校准装置 | |
SE534904C2 (sv) | Temperaturmätningssystem och metod för ett temperaturmätningssystem innefattande åtminstone ett termoelement | |
CN106885634A (zh) | 基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法 | |
JP7046099B2 (ja) | ガスの速度又は流量を測定するための装置 | |
JP4580562B2 (ja) | 非接触型温度センサーおよびそれを用いた赤外線体温計 | |
JP2015519542A5 (zh) | ||
CN108051093A (zh) | 用于探测功率循环实验中igbt模块温度场的红外热成像测温方法 | |
JP2015087277A (ja) | 測温体校正装置、測温体校正システム及び測温体校正方法 | |
US4502792A (en) | Apparatus for calibrating a pyrometer | |
CN105973923A (zh) | 一种铜基记忆合金微区相变温度的实验方法 | |
TWI257478B (en) | Method for testing the performance of heat pipe and apparatus for conducting such method | |
KR101831682B1 (ko) | 기체 온도 측정 장치 및 방법 | |
JP6299876B2 (ja) | 表面温度センサ校正装置 | |
CN113686457B (zh) | 一种温度补偿装置、方法、电子设备及温度检测装置 | |
RU167045U1 (ru) | Устройство для измерения термо-эдс материалов |