Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоерс термоелектричних матеріалів

Реферат: Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів складається з термостата, вимірювального зразка правильної геометричної форми, нагрівника зразка, радіаційного екрана, розташованого навколо зразка, нагрівника екрана, вимірювальних термопар зі спаями, розташованими на поверхні зразка, струмовідводу. Внутрішні поверхні екрана та нагрівника екрана покриті теплопоглинаючим шаром. Бічна поверхня зразка, поверхня нагрівника зразка та поверхня термостата між зразком та екраном покриті тепловідбиваючим шаром. Теплопоглинаючий шар містить кільцеві канавки клиноподібної форми. Тепловідбиваючий шар є подвійним і складається з електроізолюючого шару, що примикає до поверхні вимірювального зразка, та тепловідбиваючого металевого шару над ним. Тепловідбиваючий металевий шар виконано у вигляді кілець. На поверхнях вимірювального зразка, що примикають до термостата та нагрівника зразка, розташовано антидифузійні шари. UA 71614 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ, ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ТА ТЕРМОЕРС ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ UA 71614 U UA 71614 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі вимірювальної техніки і знайде застосування у виробництві напівпровідників, наприклад, для контролю якості термоелектричних матеріалів. Вона призначена для вимірювання електропровідності, теплопровідності та термоЕРС матеріалу в широкому інтервалі температур. Відомі пристрої вимірювання теплопровідності, термоЕРС та електропровідності, які широко вживаються у лабораторній та виробничій практиці [1-4]. З існуючих аналогів найбільш близьким по технічній суті є пристрій, описаний в роботі [5]. Він складається з термостата, вимірювального зразка правильної геометричної форми, нагрівника зразка, радіаційного екрана, розташованого навколо зразка, нагрівника екрана, вимірювальних термопар зі спаями, розташованими на поверхні зразка, та струмопідводів. За допомогою нагрівника зразка створюється перепад температури на зразку. Температура на нагрівнику екрана під час вимірювань підтримується рівною температурі нагрівника зразка, таким чином розподіли температури вздовж екрана та зразка є практично однаковими. Значення теплопровідності та термоЕРС знаходять, визначивши потужність нагрівника зразка, температури у двох точках на зразку, розміщених на прямій паралельній осі зразка на заданій відстані одна від одної, площу поперечного перерізу зразка, перпендикулярного до напрямку теплового потоку через зразок, термоЕРС, що вимірюється між двома однаковими гілками термопар. Для визначення електропровідності через зразок пропускають струм та вимірюють спад напруги на зразку. Однак точність такого пристрою є недостатньо високою, що пов'язано в першу чергу з наявністю теплових втрат з поверхні зразка та нагрівника зразка випромінюванням та втратами по вимірювальних термопарах, струмопідводу та притиску зразка теплопровідністю. Як показує комп'ютерне моделювання, навіть у випадку, коли температури нагрівників зразка та екрана, а також розподіли температур вздовж зразка та екрана, є однаковими, все ж існує перенос тепла випромінюванням від нагрівника зразка, нагрівника екрана та верхніх частин зразка та екрана до нижніх частини екрана і зразка та поверхні термостата в зазорі між зразком і екраном. При відсутності спеціальних заходів по зменшенню похибок, викликаних таким переносом тепла, похибки визначення теплопровідності можуть перевищувати 20 %. Тому актуальною є задача створення такого пристрою для вимірювання електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів, який би дав можливість звести до мінімуму похибки вимірювання, пов'язані з втратами тепла з поверхні зразка та нагрівника зразка, та підвищити таким чином точність визначення термоелектричних властивостей. Вказана задача розв'язується тим, що в пристрої для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів внутрішні поверхні екрана та нагрівника екрана покриті теплопоглинаючим шаром, а бічна поверхня зразка, поверхня нагрівника зразка та поверхня термостата між зразком та екраном покриті тепловідбиваючим шаром; теплопоглинаючий шар містить кільцеві канавки клиноподібної форми, а тепловідбиваючий шар є подвійним і складається з електроізолюючого шару, що примикає до поверхні вимірювального зразка, та тепловідбиваючого металевого шару над ним, причому тепловідбиваючий металевий шар виконано у вигляді кілець; на поверхнях вимірювального зразка, що примикають до термостата та нагрівника зразка, розташовано антидифузійні шари, а між антидифузійним шаром на зразку та термостатом і антидифузійним шаром на зразку та нагрівником зразка встановлено диски з легкоплавких металів; гілки термопар на зразку приведені в тепловий контакт з радіаційним екраном у місцях, де температури екрана рівні температурам спаїв термопар, а струмопідвод до зразка знаходиться у тепловому контакті з нагрівником екрана; між нагрівником зразка та нагрівником екрана розміщено термопару для реєстрації рівності температур між ними та притиск пічки до зразка, причому притиск виконано у вигляді теплоізольованого штока з пружиною, яку виведено за межі термостата, а на штоку вмонтовано нагрівник з термопарою, температура на якому під час вимірювань рівна температурі нагрівника зразка. Відповідність критерію "новизна" запропонованій корисній моделі забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для пристрою для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів - внутрішні поверхні екрана та нагрівника екрана покриті теплопоглинаючим шаром, а бічна поверхня зразка, поверхня нагрівника зразка та поверхня термостата між зразком та екраном покриті тепловідбиваючим шаром; теплопоглинаючий шар містить кільцеві канавки клиноподібної форми, а тепловідбиваючий шар є подвійним і складається з електроізолюючого шару, що примикає до поверхні вимірювального зразка, та тепловідбиваючого металевого шару над ним, причому тепловідбиваючий металевий шар виконано у вигляді кілець; на поверхнях 1 UA 71614 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вимірювального зразка, що примикають до термостата та нагрівника зразка, розташовано антидифузійні шари, а між антидифузійним шаром на зразку та термостатом і антидифузійним шаром на зразку та нагрівником зразка встановлено диски з легкоплавких металів; гілки термопар на зразку приведені в тепловий контакт з радіаційним екраном у місцях, де температури екрана рівні температурам спаїв термопар, а струмопідвод до зразка знаходиться у тепловому контакті з нагрівником екрана; між нагрівником зразка та нагрівником екрану розміщено термопару для реєстрації рівності температур між ними та притиск пічки до зразка, причому притиск виконано у вигляді теплоізольованого штока з пружиною, яку виведено за межі термостату, а на штоку вмонтовано нагрівник з термопарою, температура на якому під час вимірювань рівна температурі нагрівника зразка. Тому сукупність ознак, яка не зустрічається ні в одному з існуючих аналогів - в пристрої для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів внутрішні поверхні екрана та нагрівника екрана покриті теплопоглинаючим шаром, а бічна поверхня зразка, поверхня нагрівника зразка та поверхня термостата між зразком та екраном покриті тепловідбиваючим шаром; теплопоглинаючий шар містить кільцеві канавки клиноподібної форми, а тепловідбиваючий шар є подвійним і складається з електроізолюючого шару, що примикає до поверхні вимірювального зразка, та тепловідбиваючого металевого шару над ним, причому тепловідбиваючий металевий шар виконано у вигляді кілець; на поверхнях вимірювального зразка, що примикають до термостата та нагрівника зразка, розташовано антидифузійні шари, а між антидифузійним шаром на зразку та термостатом і антидифузійним шаром на зразку та нагрівником зразка встановлено диски з легкоплавких металів; гілки термопар на зразку приведені в тепловий контакт з радіаційним екраном у місцях, де температури екрана рівні температурам спаїв термопар, а струмопідвод до зразка знаходиться у тепловому контакті з нагрівником екрана; між нагрівником зразка та нагрівником екрану розміщено термопару для реєстрації рівності температур між ними та притиск пічки до зразка, причому притиск виконано у вигляді теплоізольованого штока з пружиною, яку виведено за межі термостата, а на штоку вмонтовано нагрівник з термопарою, температура на якому під час вимірювань рівна температурі нагрівника зразка. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, її реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку. Запропонований пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів складається з термостата 1, вимірювального зразка 2 правильної геометричної форми, радіаційного екрана 3, розташованого навколо зразка, нагрівника зразка 4, нагрівника екрану 5, вимірювальних термопар 6 та 7 зі спаями, розташованими на поверхні зразка, струмопідводів 8 та 9, притиску, виконаного у вигляді теплоізольованого штока 10 з пружиною 11, виведеною за межі термостата, та нагрівником 12 з термопарою 13, а також термопари 14, спаї якої розміщені на нагрівнику зразка та нагрівнику екрана (рис. 1). Внутрішні поверхні екрана та нагрівника екрана покриті теплопоглинаючим шаром, а бічна поверхня зразка, поверхня нагрівника зразка та поверхня термостата між зразком та екраном покриті тепловідбиваючим шаром, причому теплопоглинаючий шар містить кільцеві канавки клиноподібної форми, а тепловідбиваючий шар є подвійним і складається з електроізолюючого шару, що примикає до поверхні вимірювального зразка, та тепловідбиваючого металевого шару над ним, виконаного у вигляді кілець. На поверхнях вимірювального зразка, що примикають до термостата та нагрівника зразка, розташовано антидифузійні шари 15 та 16, а між антидифузійним шаром на зразку та термостатом і антидифузійним шаром на зразку та нагрівником зразка встановлено диски з легкоплавких металів 17 та 18. Для усунення втрат тепла по термопарах, гілки термопар на зразку приведені в тепловий контакт з радіаційним екраном у місцях, де температури екрана рівні температурам спаїв термопар. Струмопідвід до зразка знаходиться у тепловому контакті з нагрівником екрана. Рівність температур між нагрівником зразка та нагрівником екрана контролюється термопарою. Вимірювання відбуваються наступним чином. Встановлюється певна початкова температура термостата. Далі за допомогою нагрівника зразка, електрична потужність якого вимірюється, на зразку створюється невеликий перепад температури, порядку 10 градусів. При цьому задається така потужність нагрівника екрана, при якій температури на нагрівнику екрана та нагрівнику зразка, що вимірюються диференціальною термопарою, будуть однаковими. Температура на нагрівнику, розміщеному на притиску, підтримується рівною температурі нагрівника зразка, для усунення втрат тепла по притиску. Після встановлення стаціонарного режиму, вимірюються температури між двома термопарами на зразку і термоЕРС між однаковими гілками цих термопар та визначається значення теплопровідності та коефіцієнта 2 UA 71614 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 термоЕРС зразка. Електропровідність зразка визначається при відсутності перепаду температури на зразку. Для цього через зразок за допомогою струмопідводів пропускається струм та вимірюється спад напруги між однаковими гілками термопар. Дослідження показали, що для зразка на основі Ві-Те (з теплопровідністю 2 Вт/(м*К)) діаметром 8 мм, довжиною 12 мм при відстані між зразком та екраном - 1 мм та наступних значеннях ступенів чотноти:  екрана = 0,9,  пічки екрана =0,9,  термостата = 0,1,  зразка = 0,1,  пічки зразка = 0,1, похибка вимірювань теплопровідності, пов'язана з переносом тепла випромінюванням, знаходитиметься в межах 0,4 %, а похибка через втрати тепла по струмопідводу, термопарах та прижиму зразка ~ 0,3 %. Застосування запропонованого процесу дозволяє значно підвищити точність визначення термоелектричних властивостей матеріалів та розширити температурний інтервал проведення вимірювань, покращити таким чином стан метрології в галузі термоелектрики та при цьому збільшити відсоток виходу придатної продукції при одночасному покращенні її якості. Література: 1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. - К.: Наукова думка, 1978. 2. Охотин А.С., Пушкарский А.С., Боровикова Р.П., Симонов В.А. Методы измерения характеристики термоэлектрических материалов и преобразователей. - М.: Наука, 1974. - 167с. 3. Девяткова Е.Д., Петров А.В., Смирнов И.А., Мойжес Б.Я. Плавленый кварц как образцовый материал при измерении теплопроводности. - ФТТ, Т.2. - №4. – 1960 - с. 738-746. 4. Anatychuk L.I., Pervozvansky S.V., Razinkov V.V. Precise measurement of cooling th thermoelectric material parameters: methods, arrangements and procedures. Proc. of the 12 Intern, conf. thermoelectrics. Japan, 1993, p.p. 553-564. 5. J.P. Moore, R.K. Williams, R.S. Graves. Precision measurement of the thermal conductivity, electrical resistivity, and Seebeek coefficient from 80 to 400 К and their application to pure molybdenum.- Rev. Sci. Instrum, 1974, 45, №1, 87-95. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів, що складається з термостата, вимірювального зразка правильної геометричної форми, нагрівника зразка, радіаційного екрана, розташованого навколо зразка, нагрівника екрана, вимірювальних термопар зі спаями, розташованими на поверхні зразка, струмопідводу, який відрізняється тим, що внутрішні поверхні екрана та нагрівника екрана покриті теплопоглинаючим шаром, а бічна поверхня зразка, поверхня нагрівника зразка та поверхня термостата між зразком та екраном покриті тепловідбиваючим шаром. 2. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що теплопоглинаючий шар містить кільцеві канавки клиноподібної форми. 3. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що тепловідбиваючий шар є подвійним і складається з електроізолюючого шару, що примикає до поверхні вимірювального зразка, та тепловідбиваючого металевого шару над ним. 4. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 3, який відрізняється тим, що тепловідбиваючий металевий шар виконано у вигляді кілець. 5. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що на поверхнях вимірювального зразка, що примикають до термостата та нагрівника зразка, розташовано антидифузійні шари. 6. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що між антидифузійним шаром на зразку та термостатом і антидифузійним шаром на зразку та нагрівником зразка встановлено диски з легкоплавких металів. 7. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що гілки термопар на зразку приведені в тепловий контакт з радіаційним екраном у місцях, де температури екрана рівні температурам спаїв термопар. 3 UA 71614 U 5 10 15 8. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що струмопідвід до зразка знаходиться у тепловому контакті з нагрівником екрана. 9. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що між нагрівником зразка та нагрівником екрана розміщено термопару для реєстрації рівності температур між ними. 10. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що між нагрівником зразка та нагрівником екрана розміщено притиск пічки до зразка. 11. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 10, який відрізняється тим, що притиск виконано у вигляді теплоізольованого штока з пружиною, причому пружину виведено за межі термостата. 12. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів за п. 11, який відрізняється тим, що на штоку вмонтовано нагрівник з термопарою, причому під час вимірювань температура на цьому нагрівнику рівна температурі нагрівника зразка. Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 4