Разработка высокочувствительных и быстродействующих калориметрических устройств для изучения тепловых процессов

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

А.Г. ШЛЯХОВА*, Э.Р. ГАЛИМОВ**, А. Т. ШЛЯХОВ*

** Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева,

* Альметьевский государственный нефтяной институт

Разработаны новые теплофизические устройства (дифференциальный микрокалориметр и дифференциальный микроваттметр на анизотропных элементах) с повышенной чувствительностью для исследования материалов и быстродействующих тепловых процессов.

Среди большого разнообразия физико-химических методов исследования одно из ведущих мест занимают методы термического анализа: дифференциальный термический анализ (ДТА), дифференциальная

сканирующая калориметрия (ДСК) и другие, основанные на изучении различных эффектов и явлений при термическом воздействии. Однако использование этих методов в ряде случаев затруднено или вообще невозможно вследствие инерционности и сравнительно невысокой чувствительности применяемой аппаратуры. Поэтому разработка и применение новых теплофизических устройств для исследования и оценки различных тепловых процессов вызвана необходимостью реализации быстродействия в сочетании с повышенной чувствительностью. Подобные устройства эффективны, например, для определения локальных (точечных) микропримесей в различных материалах путем регистрации эндо- или экзотермических эффектов, имеющих «взрывной» характер.

В известных промышленных ДТА и ДСК установках в качестве датчиков тепла обычно используются батареи термопар и термометры сопротивления с быстродействием порядка 10 и более секунд при вольтваттной чувствительности 10-100 мВ/Вт [1, 2].

Перспективным направлением является использование в качестве тепломеров полупроводников (батареи из р и п - типа) и анизотропных (батареи из анизотропных материалов) термоэлектрических датчиков теплового потока, которые позволяют обеспечить необходимые чувствительность и быстродействие [3].

В данной работе разработаны калориметрические устройства, в которых в качестве тепломеров использованы анизотропные термоэлементы (АТЭ) из висмута, представляющие собой вырезанные в определенных кристаллографических направлениях прямоугольные параллелепипеды [4].

На рис. 1 показана схема дифференциального микрокалориметра, который имеет две измерительные ячейки 1, 2 с прямоугольными реакционными камерами, окруженными последовательно включенными АТЭ. В полость цилиндрического ядра-термостата 3, выполненного из меди, помещены измерительные ячейки с сенсором из АТЭ 4, 5; при этом была обеспечена электроизоляция сенсора от стенок ядра. Ядро с измерительными ячейками и объемными крышками и донышками с АТЭ плотно вставляются в тонкостенный медный цилиндр, на котором намотаны бифилярно термометр сопротивления ЯТ

© А. Г. Шляхова, Э.Р. Галимов, А. Т. Шляхов Проблемы энергетики, 2007, № 3-4

и нагреватель Лн 6, предназначенные для поддерживания необходимой температуры.

Рис 1. Схема устройства дифференциального микрокалориметра: 1,2-ячейки; 3-ядро-термостат; 4,5-сенсор из АТЭ; 6-термометр сопротивления и нагреватель ядра.; 7-теплообменник; 8-тонкие стальные трубки; 9-тепловой экран; 10-"фоновый" термометр сопротивления и нагреватель; 11-тонкостенный экран; 12,13-съемные экраны; 14,15-коаксиальные трубки; 16-термопара с микровольтметром; 17-ампервольтметр Ф-30 или усилитель постоянного тока ТК-1452(метод ДСК); 18-реверсивный счетчик Ф-5007 или самописец(метод ДСК); 19-жидкий азот; 20,21-эталонное и исследуемое вещество © Проблемы энергетики, 2007, № 3-4

Для уменьшения стока тепла с ядра и притока его с теплообменника 7 за счет теплопроводности ядро посредством пайки соединено с теплообменником тремя тонкостенными трубками 8 из нержавеющей стали, внутри которых расположены токоведущие провода от ядра. На медный теплообменник 7 навинчивается медный тепловой экран 9.

Для обеспечения плавной регулировки температуры ядра применена дополнительная система стабилизации и управления температурой, включающая ещё один "фоновый" термометр сопротивления и "фоновый" нагреватель 10 с тонкостенным экраном 11. Соединение токовыводов "фонового" нагревателя и термометра сопротивления осуществляется прижимными контактами, установленными через изоляционную прокладку на корпусе нагревателя, а ответная кольцевая микроплата - на основании теплообменника. Съемные экраны 12, 13 в виде стаканов и система тонкостенных коаксиальных трубок 14,

15 обеспечивают стабильность температуры цилиндров, обхватывающих ядро, и позволяют создавать в микрокалориметре вакуум до 10-4Торр.

Датчик температуры представляет собой медный термометр сопротивления, подключенный к мосту постоянного тока МО-62 по четырехзондовой схеме. В качестве гальванометра, фиксирующего равновесие моста, используется микровольтметр постоянного тока типа В2-15. Выходной сигнал вольтметра в случае нарушения равновесия моста приводит в действие электронный регулятор тока, выполненный по схеме составного транзистора. В цепь коллектора транзистора включается нагреватель, намотанный поверх термометра сопротивления. Питание нагревателя осуществляется стабилизированным источником напряжения. Обратная тепловая связь нагреватель - термометр сопротивления позволяет регулировать мощность нагревателя и, следовательно, регулировать температуру и осуществлять ее стабилизацию. Скорость разогрева зависит от напряжения источника и коэффициента усиления В2-15. Применяемая схема обеспечивает максимальный температурный разогрев 100/мин при минимальном температурном шаге 0,10С и его стабильности ±0,01°. Измерение температуры образца осуществляется с помощью термопары медь - константан

16 в диапазоне температур 77^400 К. Низкие температуры на образце достигаются путем погружения держателя микрокалориметра в жидкий азот 19, с предварительным запаиванием съемных экранов 12, 13.

Схема устройства дифференциального микроваттметра с термоэлектрическим охлаждением показана на рис. 2. Прибор состоит из двух сенсорных (тепломерных) пластин 1, площадью 6*10 мм2, на основе последовательно включенных АТЭ. Сенсоры 1 размещены на рабочей поверхности микрохолодильника 2, вторая поверхность которого размещена на термостате 3, находящемся в тепловом контакте с окружающей средой. Термостат изготовлен из радиатора мощного транзистора. Микрохолодильник представляет собой термоэлектрическую батарею из р- и и-ветвей на основе теллурида висмута; (возможно применение серийно выпускаемых модулей ТЕМО). Охладитель-нагреватель (микрохолодильник), работающий на эффекте Пельтье, обеспечивает охлаждение исследуемого объекта и эталона, расположенных на тепломерах, до -100С, а при реверсировании тока нагрев возможен до +1000С. Предусмотрена также возможность проведения исследований в вакууме: в термостате имеется сквозное отверстие, а в верхней части прибора через резиновую прокладку устанавливается стеклянная колба 4. На задней панели термостата укреплен микроразъем, на который выведены электрические элементы прибора.

Рис. 2. Дифференциальный микроваттметр: 1 - сенсоры(батарея из АТЭ); 2 -микрохолодильник; 3 - термостат; 4 - колба

Разработанные микрокалориметрические устройства на АТЭ из висмута могут быть использованы для изучения различных быстропротекающих процессов: горения пиротехнических составов, тепловых потерь в

теплоэнергетических установках, биологических процессов в живых организмах, определения точечных дефектов в различных материалах и т.д.

Например, эффективность использования разработанных устройств была показана в работе [4] по экспериментальному определению количества локальных микровключений матричного металла галлия в полупроводниковом материале -монокристалле арсенида галлия, легированного теллуром. Оценка наличия и объемного содержания галлиевых включений проводилась на основании измерения температурной зависимости количества теплоты, выделяемой (поглощаемой) при кристаллизации (плавлении) матричного металла. Результаты экспериментальных исследований и теоретические расчеты позволили установить, что относительная и абсолютная чувствительность определения галлиевых микровключений составляет соответственно 10-6% и 1010г при навеске анализируемого образца~1мг, а чувствительность (порог обнаруживаемой тепловой мощности) равна 10-7Вт при уникальном быстродействии (10-2 секунд).

Выводы

1. Разработаны дифференциальный микрокалориметр и

дифференциальный микроваттметр, в которых в качестве датчиков теплового потока использованы анизотропные термоэлементы из висмута с параметрами, сочетающими высокую чувствительность (порог обнаруживаемой мощности 10-7Вт) с уникальным быстродействием 10-2с, превосходящими на два и более порядка известные промышленные калориметрические установки.

2. Показа на возможность и эффективность использования разработанных устройств для определения точечных микровключений в полупроводниковых материалах и изучения различных быстропротекающих процессов.

Summary

High sensitivity and high speed microcalorimetric divices were developed, as a basis of this sensors was used bismuth.

Литература

1. Хеммингер В., Хене Г. Калориметрия. Теория и практика. - М.: «Химия», 1990. - 176 с.

2. Берг Л.Г. Введение в термографию. - М.: Наука, 1969. - 395 с.

3. Семиколенова Н.А., Чернуха О.Е., Шляхова А.Г., Шляхов А.Т. Оптимизация термического анализа веществ // Вестник Омского университета. -2004. - №3. - С. 54-56.

4. Шляхова А.Г., Шляхов А.Т. Калориметрическое исследование включений матричного металла в Ga As: Te // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института, 2006. - Т.4. - С. 423-432.

Поступила 19.01.2007