Устройство для термоэлектрического контроля материалов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Филатов Сергей Александрович Кумейша Николай Антонович Шамашова Татьяна Сергеевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для термоэлектрического контроля материалов, содержащее нагреватель,холодный и горячий электроды, контактную площадку, содержащую свободные окончания всех электродов, связанные с измерителями термоЭДС, отличающееся тем, что снабжено диэлектрическим корпусом для исследуемого материала, а также дополнительно введенными электродами, при этом каждый холодный и горячий электрод с одним из дополнительно введенных электродов образуют контактные термопары, а противоположные стенки корпуса образованы контактными термопарами. 76232011.10.30 Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для исследования материалов с помощью тепловых средств, и может быть использована в электронике и электронной промышленности для определения химических и физических свойств материалов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, выбранным в качестве прототипа, является устройство для термоэлектрического контроля материалов,описанное в термоэлектрическом способе контроля металлических материалов 1. Указанное устройство содержит четыре электрода, выполненные из материалов с одинаковой теплопроводностью и различной абсолютной дифференциальной термоЭДС, при этом два из них размещены в нагревателе при температуре Т 1 и являются горячими электродами, а два других образуют термопару и размещены вне нагревателя - холодные электроды, нагреватель, контактную коробку (площадку), содержащую свободные окончания всех электродов, соединенные с измерителями термоЭДС 1 измеряет термоЭДС в паре холодных электродов, 2 измеряет термоЭДС в паре одного из горячих и одного из холодных электродов и 3 измеряет термоЭДС в паре горячих электродов. Устройство для термоэлектрического контроля материалов, описанное в термоэлектрическом способе контроля металлических материалов, работает следующим образом. Электроды выполнены из материалов с одинаковой теплопроводностью и различной абсолютной дифференциальной термоЭДС. Два из них размещены в нагревателе при температуре 1 - горячие электроды. Два других образуют термопару и размещены вне нагревателя - холодные электроды. Вследствие одинаковой теплопроводности электродов условия передачи тепла в обоих контактах оказываются одинаковыми и контакты горячих электродов приобретают температуру 1, а контакты холодных электродов, в результате теплообмена, приобретают температуру 2. Свободные окончания всех электродов имеют одинаковую температуру 0, например, в результате помещения в общую контактную площадку и соединены с измерителями термоЭДС 1, 2, 3. С помощью измерителя термоЭДС определяют сигнал 1 в цепи электрод-материал-электрод по формуле 1(1-0)(1-0),(1) где 0 и 1 - абсолютная дифференциальная термоЭДС электродов, . С помощью измерителя термоЭДС определяют сигнал 3 в цепи электрод-материалэлектрод по формуле 3(3-2)(2-0),(2) где 2 и 3 - абсолютная дифференциальная термоЭДС электродов, . По известным значениям 0, 1 2, 3 определяют разность температур между точками контакта горячих и холодных электродов, используя выражение(3) С помощью измерителя термоЭДС определяют сигнал Е 2 в цепи электрод-материалэлектрод по формуле 200 - 01 изд 1 - изд 222 - 20-0(1 - 0)изд(1 - 2)2(2 - 0)(4)(изд - 0)(1 - 2)(2 - 0)(1 - 2)(2 - 0)(2 - 0),где изд - абсолютная дифференциальная термоЭДС исследуемого материала, В. Из (2), (3) и (4) определяют абсолютную дифференциальную термоЭДС исследуемого материала из выражения(10 )0 . 1(10 ) / (32 )3 Расчетные зависимости учитывают составляющие термоЭДС, возникающие в цепи в результате неравенства температур холодных концов электродов и исследуемого материала. Величины (Т 1-Т 2) и изд служат двумя параметрами, совокупность которых характеризует исследуемый материал при термоэлектрическом контроле. Недостатком известного устройства являются низкие функциональные возможности устройства из-за исследования только материалов и сплавов. 2 76232011.10.30 Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей устройства. Задача решается следующим образом. Известное устройство для термоэлектрического контроля материалов, содержащее нагреватель, холодный и горячий электроды, контактную площадку, содержащую свободные окончания всех электродов, связанные с измерителями термоЭДС, согласно предлагаемому техническому решению дополнительно снабжено диэлектрическим корпусом для исследуемого материала, а также дополнительно введенными электродами, при этом каждый холодный и горячий электрод с одним из дополнительно введенных электродов образуют контактные термопары, а противоположные стенки корпуса образованы контактными термопарами. Данное устройство для термоэлектрического контроля материалов позволяет исследовать порошки и углеродные наноматериалы. На фигуре показана схема общего вида предлагаемого устройства. Устройство содержит диэлектрический корпус 1 для исследуемого материала 13, при этом противоположные стенки корпуса 1 образованы контактными термопарами 2 и 3. Контактная термопара 2 - горячая и образована горячим электродом 5 и одним из дополнительно введенных электродов 6, а контактная термопара 3 - холодная и образована холодным электродом 7 и вторым из дополнительно введенных электродов 8. При этом нагреватель 4 расположен со стороны контактной термопары 2. А свободные окончания всех электродов 5, 6, 7, 8 расположены в контактной площадке 9 и соединены с измерителями 10, 11, 12 термоЭДС. Измеритель 10 измеряет термоЭДС 1 в паре холодных электродов 7 и 8, измеритель 11 измеряет термоЭДС Е 2 в паре одного из горячих и одного из холодных электродов 5, 7 и измеритель 12 измеряет термоЭДС Е 3 в паре горячих электродов 5 и 6. Предлагаемое устройство работает следующим образом. В диэлектрический корпус 1 для исследуемого материала, выполненного из материала с низкой теплопроводностью, например из кварца, помещают исследуемый материал 13(образец в виде цилиндра или порошка), при этом противоположные стенки диэлектрического корпуса 1 образованы контактными термопарами 2 и 3, а нагреватель 4 расположен со стороны контактной термопары 2. Контактная термопара 2 - горячая и образована горячим электродом 5 и одним из дополнительно введенных электродов 6, а контактная термопара 3 - холодная и образована холодным электродом 7 и вторым из дополнительно введенных электродов 8. Электроды 5, 6, 7, 8 выполнены из материалов с одинаковой теплопроводностью и различной абсолютной дифференциальной термоЭДС. Вследствие одинаковой теплопроводности электродов 5, 6, 7, 8 условия передачи тепла в обоих контактах оказываются одинаковыми и контактная термопара 2 - горячие электроды 5 и 6 приобретают температуру Т 1, а контактная термопара 3 - холодные электроды 7 и 8 - в результате теплообмена приобретают температуру Т 2. Свободные окончания всех электродов 5, 6, 7, 8 имеют одинаковую температуру Т 0, расположены в контактной площадке 9 и соединены с измерителями 10, 11, 12 термоЭДС. Измеритель 10 измеряет термоЭДС 1 в паре холодных электродов 7 и 8, измеритель 11 измеряет термоЭДС Е 2 в паре одного из горячих и одного из холодных электродов 5, 7 и измеритель 12 измеряет термоЭДС Е 3 в паре горячих электродов 5 и 6. С помощью измерителя 10 термоЭДС определяют сигнал 1 в цепи электродматериал-электрод по формуле 1(1-0)(1-0),(1) где 0 и 1 - абсолютная дифференциальная термоЭДС электродов, . С помощью измерителя 12 термоЭДС определяют сигнал Е 3 в цепи электродматериал-электрод по формуле 3(3-2)(2-0),(2) 3 76232011.10.30 где 2 и 3 - абсолютная дифференциальная термоЭДС электродов, . По известным значениям 0, 1, 2, 3 определяют разность температур между точками контакта горячих и холодных электродов 5, 6, 7, 8, используя выражение(3) С помощью измерителя 13 термоЭДС определяют сигнал Е 2 в цепи электродматериал-электрод по формуле Е 200 - 01 изд 1 - издТ 222 - 20- 0(1-0)изд(Т 1-2)2(2-0)(4)(изд - 0)(1 - 2)(2 - 0)(2 - 0),где изд - абсолютная дифференциальная термоЭДС исследуемого материала, . Из (2), (3) и (4) определяют абсолютную дифференциальную термоЭДС исследуемого материала из выражения(20 ) /(32 ) 3 изд 2(5) 1(10 ) / (32 ) 3 Расчетные зависимости учитывают составляющие термоЭДС, возникающие в цепи в результате неравенства температур свободных окончаний холодных электродов 7 и 8 и исследуемого материала 13. Величины (1-2) и изд служат двумя параметрами, совокупность которых характеризует исследуемый материал 13 при термоэлектрическом контроле. Таким образом, предлагаемое устройство повышает функциональные возможности известного устройства, так как позволяет исследовать не только металлические материалы, но и порошки и углеродные наноматериалы. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4