Устройство для измерения теплового сопротивления тонкослойных покрытий

(51)60125/18 НАЦИОНАЛЬНОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Антипов Юрий Николаевич Гладков Владимир Егорович Гладкова Виктория Константиновна(73) Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОНКОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ(57) Устройство для измерения теплового сопротивления тонкослойных покрытий относится к области испытаний с применением тепловых средств,в частности к исследованиям теплофизических материалов. Устройство содержит нагреватель, источ ник излучения, термобатарею, термоэлектрический холодильник, термостат и дифференциальную термобатарею, спаи которой припаяны к тонким металлическим пластинам с хорошей теплопроводностью,между которыми помещается исследуемое покрытие,одна из пластин располагается на нагревателе, который приводится в тепловой контакт с термоэлектрическим холодильником, другая пластина покрывается поглощающим излучение веществом и служит приемником излучения, при этом спаи термобатареи закладываются между нагревателем и холодильником, а другие соединены с термостатом. Таким образом, упрощение конструкции устройства позволяет уменьшить погрешность измерения, обусловленную использованием дополнительных конструктивных элементов. 8710 Устройство для измерения термического сопро- ления тонкослойных покрытий, содержащее нагретивления тонкослойных покрытий относится к об- ватель, источник излучения, термобатарею, термоласти испытаний с применением тепловых средств, электрический холодильник, термостат дополнив частности к исследованиям теплофизических тельно содержит дифференциальную термопару,свойств материалов. спаи которой припаяны к тонким металлическим Известно устройство для определения термиче- пластинам с хорошей теплопроводностью, между ского сопротивления, состоящее из массивного мед- которыми помещается исследуемое покрытие, приного стержня, на полированную поверхность торца чем одна из пластин помещается на нагреватель,которого наносится исследуемое покрытие, источни- который, в свою очередь, приводится в тепловой ка излучения, приемника излучения, фокусирующей контакт с термоэлектрическим холодильником, друсистемы ( . ,.,гая пластина покрывается поглощающим излучение// , 1966, . 2,4, . веществом и служит приемником излучения, при 140-143). этом одни спаи термобатареи заделываются между Недостатком установки является то, что изме- нагревателем и холодильником, а другие соединены рение температуры поверхности исследуемого по- с термостатом. крытия, пропорциональной термическому сопротивПреимущество предлагаемого устройства солению, определяется по изменению собственного стоит в том, что использование дифференциальной излучения покрытия, величина которого соизмерима термопары в сочетании с тонкими пластинами из с тепловыми шумами приемника излучения. Кроме материала с хорошей теплопроводностью, одна из того, в расчетное соотношение входят такие пара- которых покрыта поглощающим излучение вещестметры, как коэффициент излучения покрытия, ко- вом, а другая помещается на термоэлектрический эффициент пропускания фильтра, коэффициент от- холодильник, позволяет отказаться от термоэлеменражения эталонного отражателя, величины которых та с подогревом и дополнительного источника излуопределяются с большими погрешностями. чения, используемого для исключения затенения Известно устройство для измерения термиче- исследуемого покрытия термоэлементом. Упрощеского сопротивления покрытий приемников излуче- ние конструкции устройства позволяет уменьшить и ния, содержащее нагреватель исследуемого покры- погрешность измерения, обусловленную использотия, термоэлемент, источник излучения, термохоло- ванием дополнительных конструктивных элементов. дильник, термобатарею и термостат. Для исключеРаботоспособность устройства вытекает из анания контактного термического сопротивления при лиза температурного поля приемного блока (фиг. 1). измерении температуры поверхности покрытия тер- Приемный блок в нормальном направлении предмоэлемент снабжен электронагревателем и для пре- ставляет собой многослойную систему (поглодотвращения нагрева от источника излучения имеет щающее покрытие и металлическая пластина 1, исантирадиационное покрытие(а. с. СССР следуемое покрытие 2, спираль-нагреватель и ме 1080607, кл.0125/18, 1982/ Устройство для таллическая пластина 3, электроизоляционный слой измерения термического сопротивления покрытий 4, термоэлектрический холодильник 5). В касательприемников излучения /КарГУ, Гладков, А.И. ном направлении неоднородной является спиральПеревертун/Т). С целью исключения затенения ис- нагреватель. Однако при рассмотрении осесимметследуемого покрытия термоэлементом устройство ричной задачи теплопроводности неоднородностью дополнительно содержит источник излучения, снаб- спирали-нагревателя можно пренебречь, так как женный системой диафрагм и объективом, предна- расстояние между витками спирали значительно значенными для создания на исследуемой поверхно- меньше толщины витка. сти светового пятна, по форме и месту положения Таким образом, приемный блок рассмотрим в совпадающим с областью затенения (а. с. СССР виде четырехслойной пластины, помещенной на 1226996, кл.0125/18, 1984/ Устройство для термоэлектрический холодильник. измерения термического сопротивления покрытий Температурное поле в приемном блоке устройприемников излучения /КарГУ, В.Е. Гладков, В.К. ства найдем методом электротепловой аналогии Ботян/ Т). вместо тепловой схемы приемного блока рассмотНедостатком устройства является громоздкость рим эквивалентную ей электрическую. системы измерения температуры поверхности обПоверхности слоев приемного блока устройства разца в фазах нагрева его излучением и электриче- и внутренняя поверхность корпуса прибора изотерским током и увеличение погрешности измерения мичны, что достигается понижением температуры из-за использования дополнительного источника исследуемого покрытия до температуры окружаюизлучения. щей среды. Техническим результатом данного устройства Тепловые сопротивления слоев приемного блоявляется повышение точности и упрощение конст- ка обозначим через (1,2,3,4), тепловое сопрорукции установки для измерения термического со- тивление, обратно пропорциональное коэффициенту противления тонкослойных покрытий. теплообмена поверхности первого слоя с окружаюТехнический результат достигается тем, что щей средой, соответственно, через в. устройство для измерения термического сопротив 2 8710 В фазе нагрева исследуемого покрытия потоком це приемного блока и термохолодильника одинакова излучения поверхностью первого слоя поглощается и равна температуре окружающей среды в фазах поток л, в фазе нагрева электрическим током в нагрева потоком излучения и электрическим током. объеме третьего слоя выделяется теплотаи по- В этом случае можно считать равными тепловые верхностью первого слоя поглощается поток л, потоки от приемного блока к термохолодильнику в обусловленный тепловым излучением шторки, пере- обоих фазах нагрева. Из этого условия определяем крывающей лучистый поток и излучением нагретых соотношение между л и . диафрагм. Теплообмен первого слоя с окружающей 1 /(/ 2)(л в 3 в 2 л 1 э 1 в средой происходит по закону Ньютона. Тепловые потоки, поглощаемые термохолодильником в фазах/ 2)( в 12 / 2)1 л 2 э 2 нагрева приемного блока потоком излучения и элек ( в 23 / 2)трическим током, равны, соответственно лх и л 3 э 3 л 4 э 4 эх.(3)(в 34 / 2)Тепловые потоки с боковых поверхностей слоев л в приемного блока (,2,3,4) определяются эмпиИз формул (1,2,3) находим рическими зависимостями, описывающими тепло 1 / 2обмен в замкнутом пространстве 2 л э л 2 э 2),(40,906 Разности тепловых потоков в формуле (4) не 22 1 превышает 0,01. Пренебрегая малыми члена 211 ми, находимлэ где- постоянная Стефана-Больцмана,и 2(5) приведенный коэффициент излучения и разность температур боковой поверхности слоев приемного Таким образом, проведенные рассуждения поблока и окружающей среды,- боковая поверх- казывают, что термическое сопротивление иссленость -го слоя, 2 и 1 - внутренний диаметр корпуса дуемого покрытия пропорционально сумме показаи диаметр приемного блока. ний дифференциальной термопары, соответственно,Эквивалентные схемы в стационарном режиме в фазах нагрева приемного блока потоком излучения представляют собой цепи с сосредоточенными па- и электрическим током. раметрами (фиг. 2 (а,в. В схемах приняты допущеСущественно новым, отличительным признания объемный источник энергиив приемном ком в заявляемом устройстве для измерения термиблоке заменен на поверхностный, расположенный в ческого сопротивления тонкослойных покрытий явсредней плоскости третьего слоя. Тепловые потоки с ляется использование дифференциальной термопабоковой поверхности выделенных слоев приемного ры, спаи которой припаяны к тонким металлическим блока отводятся от средних точек соответствующих пластинам с хорошей теплопроводностью, одна из тепловых сопротивлений. которых помещается на нагреватель, а другая поИз расчета схем замещения находим разности крывается поглощающим излучение веществом и температур границ 1-го-2-го и 2-го-3-го слоев в фа- служит приемником радиации. Это позволяет замезах нагрева приемного блока потоком излучения и нить контактное измерение температуры поверхноэлектрическим током, соответственно сти измерением температуры внутренних точек мно л(2 /в 4 )л вл 1 ( в 1 / 2)гослойной системы, что упрощает устройство в целом и уменьшает погрешность измерений.л 2 1 / 2(в 134 )л 3 (2 / 23 )Устройство для измерения термического сопротивления имеет дифференциальную термопару 1,(1)л 44 / 2 тонкие металлические пластины с хорошей тепло э(2 / в 4 )( 3 / 24 )э 1 ( впроводностью 2, покрытие из вещества, поглощающего излучение 3, нагреватель 4, представляющий 1 / 2)э 2 1 / 2( в 134 )э 3 ( 3 / 2 собой плоскую проволочную спираль бифилярной намотки, термоэлектрический холодильник 5, тер(2)4 )э 44 / 2 в ,л мобатарею 6, термостат 7, блок питания и управле(2) ния 8, потенциометр 9, источник излучения с систе 4 где в 4 вв 1 в 1 3434 л 1, мой диафрагм 10. Спаи дифференциальной термопары 1 припая 1 ны к тонким металлическим пластинам с хорошей л 2, л 3, л 4 и э 1, э 2, э 3, э 4 - тепловые потоки с боковой поверхности слоев приемного блока, соот- теплопроводностью 2, поверхность одной пластины ветственно, при лучистом и электрическом нагревах. покрывается поглощающим излучение веществом 3,Согласно используемой методике измерений а другая пластина помещается на нагреватель 4, котермического сопротивления, температура на грани- торый расположен на термоэлектрическом холодильнике 5. Между холодильником и нагревателем 3 8710 заделываются спаи термобатареи 6, другие спаи ко- 10, о чем можно судить по нулевому сигналу в терторой находятся на термостате 7. Выходы нагрева- мобатарее 6. теля и холодильника соединены с блоком питания и По сигналу дифференциальной термопары 1 управления 8, а выходы дифференциальной термо- определяют разность температур верхней и нижней пары 1 и термобатареи 6 соединены с потенциомет- поверхностей исследуемого покрытия 11 в фазе наром 9. Исследуемое покрытие 11 помещено между грева устройства электрическим током. По величине пластинами 2. силы тока в цепи нагревателя определяется мощУстройство для измерения термического сопро- ность электрического нагрева. тивления работает следующим образом. Устройство может найти применение в теплоТепловой поток от источника излучения 10 па- физике для исследования теплофизических свойств дает на поглощающее излучение вещество 3 и на- тонких покрытий, в измерительной технике и актигревает исследуемое покрытие 11 и нагреватель 4. нометрии для измерения термических сопротивлеПутем изменения тока в цепи термохолодильника 5 ний тонкослойных покрытий. тепло от покрытия 3 и нагревателя 4 отводится таким образом, чтобы температура в месте располоФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ жения внутренних спаев термобатареи 6 стала равУстройство для измерения термического сопроной температуре термостата 7, о чем можно судить по сигналу термобатареи 6, фиксируемому потен- тивления тонкослойных покрытий, содержащее нациометром 9. С помощью этого же потенциометра греватель, источник теплового излучения, термобаснимается сигнал с дифференциальной термопары 1, тарею, термоэлектрический холодильник, термостат,пропорциональный разности температур на верхней отличающееся тем, что оно содержит дифференции нижней поверхностях исследуемого покрытия 11 в альную термопару, спаи которой припаяны к тонким металлическим пластинам с высокой теплопроводфазе лучистого нагрева устройства. Не изменяя электрического тока в цепи термо- ностью, между которыми помещают исследуемое холодильника 5, перекрывают поток излучения от покрытие, причем одна из пластин расположена на источника 10 и одновременно включают электриче- нагревателе, находящемся в тепловом контакте с скую цепь нагревателя 4. Электрический ток в на- термоэлектрическим холодильником, другая плагревателе 4 подбирают так, чтобы выделяющееся в стина покрыта поглощающим тепловое излучение витках тепло нагревателя тепло было эквивалентно веществом и является приемником излучения, при теплу, поступавшему в него от источника излучения этом одни спаи термобатареи заделаны между нагревателем и холодильником, а другие соединены с термостатом.