Спосіб стабілізації електричної потужності нагрівника комірки для вимірювання термоелектричних параметрів

Реферат: Спосіб стабілізації електричної потужності нагрівника комірки для вимірювання термоелектричних параметрів твердих тіл, у якому використовується комірка, що містить два нагрівники, зовнішній і внутрішній, хромелеві та алюмелеві термопари як вимірювальні провідники. Для живлення внутрішнього нагрівника використовується генератор стабільного струму. UA 72229 U (12) UA 72229 U UA 72229 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі наукової техніки і може бути використана у напівпровідниковому приладобудуванні. Вимірювання термоелектричних параметрів (в тому числі і теплопровідності) твердих тіл проводять різноманітними методиками, які в загальному можна поділити на стаціонарні і динамічні, що реалізовані у відповідних вимірювальних комірках (Фреїк Д.М., Михайльонка Р.Я., Кланічка В.М. Методи вимірювання теплопровідності напівпровідникових матеріалів// Фізика і хімія твердого тіла, 5(1). - С. 173-191 (2004)). Однак запропоновані комірки або не дозволяють вимірювати весь спектр термоелектричних характеристик, або є складними у реалізації. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі аналогом є вимірювальна комірка, в основі роботи якої лежить абсолютний метод вимірювання шляхом контролю потоку тепла через зразок та вимірювання різниці температур на кінцях зразка. Комірка складається із зовнішнього (основного) і внутрішнього (додаткового) нагрівників, термопари та вимірювальних провідників, для вимірювання термоелектричних параметрів використовуються одні і ті ж хромель-алюмелеві термопари (Патент на корисну модель № 65225. Комірка для вимірювання термоелектричних параметрів. Фреїк Д.М., Запухляк Р.І., Терлецький А.І., Борик В.В., Дикун Н.І. Номер заявки: u201106708. Дата подання заявки: 30.05.2011. Дата, з якої є чинними права на корисну модель: 25.11.2011. Дата публікації відомостей про видачу патенту та номер бюлетеня: 25.11.2011, Бюл. № 22). Така комірка має ряд недоліків, які знижують точність вимірювання коефіцієнта теплопровідності та ускладнюють процес отримання електричних параметрів зразка. Зокрема, температура на верхньому кінці зразка задається внутрішнім нагрівником, температура зовнішнього (охоронного) автоматично підтримується рівною температурі внутрішнього з метою усунення теплообміну між нагрівниками. В зв’язку з великою тепловою інерційністю нагрівників та притаманним кожному терморегулятору явища гістерезису, ефективне підтримання рівності температур нагрівників з високою точністю представляє собою складну задачу. Це призводить до небажаного теплообміну між нагрівниками та створення додаткового неконтрольованого потоку тепла через зразок. В основу запропонованої корисної моделі поставлено задачу створити таку комірку для вимірювання теплопровідності твердих тіл, яка би дозволяла в єдиному експерименті отримувати інформацію про весь спектр термоелектричних характеристик, була проста в реалізації і експлуатації та вільна від вказаних вище недоліків. Поставлена задача вирішується тим, що кількість тепла, яке виділяється внутрішнім нагрівником, контролюється за допомогою калібратора струму. Оскільки теплоємність внутрішнього нагрівника набагато менша загальної теплоємності системи обох нагрівників, то температура зовнішнього нагрівника майже не залежить від ввімкнення чи вимикнення внутрішнього нагрівника. Вимірювання виконуються за умов теплової рівноваги, що дає змогу уникнути впливу гістерезису терморегуляторів нагрівників. Схема контролю потужності внутрішнього нагрівника представлена на фіг. 1. Приклад конкретного виконання Конструктивно установка складається із двох нагрівників (пічок): зовнішнього та внутрішнього, весь вільний простір між якими заповнено теплоізолятором (азбест). Внутрішній нагрівник утримується у зовнішньому виключно за рахунок сил тертя. Вимірюваний зразок поміщають між верхнім і нижнім контактами, які виготовлені із срібла з метою забезпечення кращого теплового та електричного контактів. Нагрівники, основа, фланець та шпильки виготовлені із нержавіючої сталі. Зовнішній нагрівник намотаний ніхромовим проводом, внутрішній - молібденовим. Вся система поміщена на підставку і електрично-ізольована від неї керамічними перехідниками. За таких умов основа, зовнішній та внутрішній нагрівники гальванічно-ізольовані один від одного. Зовнішній нагрівник живиться від джерела змінного струму через електронний терморегулятор, який підтримує стабільну температуру Т 3. Для живлення внутрішнього нагрівника використовується джерело постійного стабілізованого струму (генератор стабільного струму ГСС). Було встановлено, що для підвищення точності вимірювань, також необхідно стабілізувати напругу зовнішньої мережі (220 В). Струм і напруга на внутрішньому нагрівнику контролюється електронними мультиметрами за схемою, що компенсує вплив підвідних струмових провідників (фіг. 1). Калібрований струм від генератора стабільного струму (ГСС) пропускається через одну пару струмових провідників, а падіння напруги вимірюється на іншій. Така схема дозволяє визначати потужність внутрішнього нагрівника з великою точністю, що визначається головним чином точністю задання струму та точністю вимірювання падіння напруги. Використовуючи прилади 1 UA 72229 U 5 10 15 20 для вимірювання струму та напруги з точністю 0,1 % можна визначити потужність внутрішнього нагрівника з точністю 0,2 %. Напруги всіх термопар та контактів контролюються одним і тим же мультиметром з метою зменшення впливу дрейфу нуля приладу і комутуються по черзі з допомогою 8-позиційного перемикача на три напрямки. Вимірювання теплопровідності зразка здійснюється таким чином: 1. Вмикають зовнішній нагрівник і чекають встановлення теплової рівноваги. Вимірюють Твн температуру внутрішнього нагрівника, термо-Е.Р.С. та електричний опір зразка. 2. Вмикають внутрішній нагрівник і чекають встановлення нової теплової рівноваги. Вимірюють: Івн, Uвн - струм і напругу, які подаються на внутрішній нагрівник, Т’вн - температуру внутрішнього нагрівника після встановлення нової теплової рівноваги, термо-Е.Р.С. та електричний опір зразка за нової теплової рівноваги. Теплопровідність зразка обчислюється згідно з виразом:  I  Uвн  l X   вн  T  T  a із  S ,  вн  вн  де Івн, Uвн - струм і напруга, які подаються на внутрішній нагрівник; Твн - температура внутрішнього нагрівника при встановленні теплової рівноваги після включення зовнішнього нагрівника; Т’вн - температура внутрішнього нагрівника при встановленні теплової рівноваги після включення внутрішнього нагрівника; l - довжина зразка; S - площа поперечного перерізу зразка; аіз - коефіцієнт, який залежить від конструктивних особливостей приладу і визначається з вимірювань для еталонного матеріалу, теплопровідність якого відома. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 1. Спосіб стабілізації електричної потужності нагрівника комірки для вимірювання термоелектричних параметрів твердих тіл, у якому використовується комірка, що містить два нагрівники, зовнішній і внутрішній, хромелеві та алюмелеві термопари як вимірювальні провідники, який відрізняється тим, що для живлення внутрішнього нагрівника використовується генератор стабільного струму. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що калібрований струм від генератора стабільного струму контролюють однією парою провідників, а падіння напруги - другою. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2