УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМО-ЭДС МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля, а именно к устройствам для определения химического состава и структуры металлов, полупроводников и сплавов по величине термо-ЭДС и может быть использована для контроля качества продукции и для исследования материалов при различных технологиях получения материалов.
Известно устройство (SU №979974 «Устройство для измерения термо-ЭДС материалов», МПК G01N 25/32, опубл. 07.08.1982), содержащее основание на котором монтируются элементы устройства, прижимы электродов к исследуемому образцу в форме петли выполненной из проволоки, одна из прижимных петель является нагревательным элементом для горячего электрода, горячий и холодный электрод в виде прижимаемых к образцу термопар, схему регистрации разности температур прижимаемых термопар, держатель образца, и измеритель термо-ЭДС.
Данное устройство содержит нагреватель в виде проволоки, который нагревает большую, чем размер электрода область и окружающую среду, что приводит к неточному измерению термо-ЭДС.
Известно устройство (SU №783666 «Термоэлектрическое устройство для контроля металлов и сплавов», МПК G01N 25/32, опубл. 30.11.1980), содержащее электроды, жестко закрепленные в блоке, который прижимается к образцу, измеритель термо-ЭДС. Горячий электрод снабжен нагревателем, который пружиной прижимается к образцу. Таким образом, греется электрод и образец в значительной области под нагревателем. При этом градиент температуры проходит через области разного химсостава, и регистрируется усредненное по этой области термо-ЭДС.
Таким образом, теряется локальность измерения свойства образца при измерении усредненного значения термо-ЭДС по области нагрева. В данном устройстве отсутствуют прижимные контакты, что может привести к различной силе прижима электродов, и как следствие к неточности измерений термо-ЭДС.
Известно устройство (SU №568879 «Датчик термо-ЭДС», МПК G01N 25/32, опубл. 16.01.1978), содержащее два электрода в общем нагревателе, в холодном электроде сделаны проточки (или установлен радиатор), что способствует быстрому охлаждению этого электрода. Таким образом формируется разница температур для измерения термо-ЭДС между горячим и холодным электродом.
В таком устройстве при больших температурах рассеиваемый тепловой поток будет неравномерно разогревать окружающее пространство и возникнут сложности с поддержанием разницы температур холодного и горячего электрода, что может привести к неточности измерений термо-ЭДС.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому, является устройство, представленное в SU №949453 «Термоэлектрическое устройство для контроля металлов и сплавов», МПК G01N 25/32, опубл. 07.08.1982. Устройство содержит подпружиненные пружинами горячий и холодный электроды, покрытые электроизоляцией и помещенные в металлические блоки. Электроды электрически связаны с измерителем термо-ЭДС. Датчики температуры электродов (термопары) соединены с металлическими блоками, в которых располагаются электроды. Концы термопар, нагревательный элемент горячего электрода электрически связаны со схемой терморегулирования (блок управления).
При работе устройства нагревательный элемент разогревает металлический блок, в котором размещен горячий электрод. Металлические блоки выравнивают температуры по электродам. Регистрация разности температур между металлическими блоками осуществляется двумя термопарами, подключенными к схеме терморегулирования.
Регистрация термо-ЭДС между горячим и холодным электродом осуществляется измерителем термо-ЭДС.
В такой установке измерения происходят в локальной области поверхности образца при регистрации разницы температур между электродами, без учета воздействии температуры окружающей среды, что приводит к неточному измерению термо-ЭДС исследуемого образца, и не позволяет корректно оценить качество образца.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для измерения термо-ЭДС, которое позволит достигать технический результат, заключающийся в повышении точности измерений термо-ЭДС исследуемого образца за счет повышения точности измерения разности температур между горячим и холодным электродом с учетом воздействия температуры окружающей среды при осуществлении многократных локальных измерений.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройство для измерения термо-ЭДС материалов, содержащее держатель образца, горячий и холодный электроды, закрепленные с подпружиниванием на держателе электродов, электрически соединенные с измерителем термо-ЭДС, а также электрически связанные с блоком управления датчики температуры холодного и горячего электродов и нагревательный элемент горячего электрода, дополнительно введены нагревательный элемент образца и датчик температуры держателя образца, каждый из которых размещен в полостях, выполненных в держателе образца, при этом перемещение держателя электродов обеспечивает механизм вертикального перемещения, а перемещение держателя образца обеспечивает механизм горизонтального перемещения, причем блок управления электрически связан с нагревательным элементом образца, датчиком температуры держателя образца и механизмами вертикального и горизонтального перемещений и персональным компьютером, который связан с измерителем термо-ЭДС.
Нагревательный элемент горячего электрода может быть выполнен в виде спирали из нихромовой проволоки. Датчики температуры горячего электрода, температуры холодного электрода, температуры держателя образца могут быть выполнены в виде терморезистора или термопары. Перемещение держателя образца может обеспечивать механизм горизонтального перемещения, который состоит из направляющих, механизма «винт - гайка» и двигателя. Перемещение держателя электродов может обеспечивать механизм вертикального перемещения, который состоит из направляющих, механизма «винт - гайка» и двигателя.
Совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемую полезную модель влияет на возможность получения технического результата выражающегося в повышении точности измерений термо-ЭДС и находится в причинно-следственной связи с указанным результатом.
Для регистрации термо-ЭДС между двумя электродами необходимо наличие разницы температур горячего и холодного электродов. Для более точной регистрации разницы температур и, следовательно, точного измерения термо-ЭДС требуется учитывать теплообмен между электродами, образцом и окружающей средой в процессе измерения. В связи с этим в предлагаемую установку введен нагреватель образца и датчик температуры держателя образца. Таким образом, терморегулирование осуществляется на основе двух нагревательных элементов (образца и горячего электрода) и трех датчиков температуры (образца, горячего и холодного электродов).
Введение нагревателя образца и датчика температуры держателя образца позволяет задавать температуру нагрева образца, что позволяет создать градиент температур от образца в окружающую среду, который не зависит от случайных воздействий окружающей среды на образец. Таким образом повышается точность измерения термо-ЭДС.
Введение механизма вертикального перемещения, который перемещает держатель электродов относительно образца, позволяет исключить контакт электродов с поверхностью образца между измерениями. Благодаря этому не происходит перегрев образца в точке измерения горячим электродом, есть время для охлаждения локальной области до температуры образца перед каждым измерением, что повышает точность измерений термо-ЭДС.
Введение механизма горизонтального перемещения, который перемещает держатель образца, позволяет проводить измерения термо-ЭДС в локальной области в разных точках образа, с известными координатами точки измерения относительно закрепления образца.
Управление установкой осуществляется с помощью программного обеспечения в среде LabView, которое запускается на персональном компьютере. Данное программное обеспечение позволяет учитывать размеры образца, и регулировать параметры измерений (начальные и конечные температуры нагревателей, время необходимое для измерения в локальной области, число повторений измерения, скорость изменения температуры и др.), сохранять и выводить результат в виде графиков на монитор персонального компьютера.
Полезную модель иллюстрируют чертеж (фиг. 1), представляющий схему устройства для измерения термо-ЭДС материалов.
Устройство содержит (фиг. 1):
1 горячий электрод;
2 холодный электрод;
3 пружины;
4 нагревательный элемент горячего электрода;
5 датчик температуры горячего электрода;
6 нагревательный элемент образца;
7 датчик температуры держателя образца;
8 датчик температуры холодного электрода;
9 образец;
10 держатель образца;
11 держатель электродов;
12 механизм горизонтального перемещения;
13 механизм вертикального перемещения;
14 блок управления;
15 персональный компьютер;
16 измеритель термо-ЭДС.
Устройство содержит два электрода: горячий электрод 1 и холодный электрод 2. К горячему электроду 1 прикреплен датчик температуры горячего электрода 5, а вокруг горячего электрода 1 находится нагревательный элемент горячего электрода 4. К холодному электроду 2 прикреплен датчик температуры холодного электрода 8. Электроды закреплены в держателе электродов 11 с подпружиниванием посредством пружин 3. Держатель электродов 11 закреплен на механизме вертикального перемещения 13, который осуществляет перемещение электродов от образца или к образцу. Исследуемый образец 9 располагается под электродами на держателе образца 10. В металлическом держателе образца 10 выполнены полости для расположения нагревательного элемента образца 6 и датчика температуры держателя образца 7. Держатель образца 10 закреплен на механизме горизонтального перемещения 12, осуществляющем перемещение вдоль образца 9. Измеритель термо-ЭДС 16 электрически соединен с горячим электродом 1 и холодным электродом 2. К блоку управления 14 электрически подключены нагревательные элементы 4 и 6; и датчики температуры 5, 7 и 8; и двигатели, которые входят в состав механизмов горизонтального и вертикального перемещения 12 и 13. Блок управления 14 и измеритель термо-ЭДС 16 подключены к персональному компьютеру 15, на котором установлена программа обеспечивающая работу устройства.
Устройство работает следующим образом.
Образец 9 закрепляют в держателе образца 10. Оператор на персональном компьютере 15 в программном обеспечении задает число повторений локальных измерений, величину шага перемещения механизма горизонтального перемещения 12 и механизма вертикального перемещения 13, температуры нагревательного элемента горячего электрода 4 и нагревательного элемента образца 6. После предварительного ввода данных оператор запускает выполнение программы.
В начале работы управляющая программа проводит инициализацию, заключающуюся в том, что механизм горизонтального перемещения 12 устанавливается в начальное положение для измерений, определяемое оператором, а механизм вертикального перемещения 13 отводит держатель электродов 11 от образца 9. Из программы на персональном компьютере 15 подаются команды на блок управления 14 для перемещения механизма горизонтального перемещения 12 в положение, соответствующее первой точке измерений, и механизма вертикального перемещения 13 для отвода электродов 1 и 2 от образца 9. После инициализации начинается нагрев горячего электрода 1 и образца 9. Управляющая программа из персонального компьютера 15 на блок управления 14 подает команду включить нагревательный элемента горячего электрода 4 для нагрева горячего электрода 1. Блок управления 14 регистрирует температуру датчика температуры горячего электрода 5. При достижении заданной температуры горячего электрода 1 блок управления 14 включает и выключает нагревательный элемент горячего электрода 4 для поддержания заданной температуры, регистрируемой датчиком температуры горячего электрода 5, и сообщает управляющей программе, что достигнута заданная температура. Управляющая программа подает на блок управления 14 команду для перемещения механизма вертикального перемещения 13 с держателем электродов 11 к образцу 9. Электроды 1 и 2 касаются образца 9. Управляющая программа посылает команду измерителю термо-ЭДС 16 провести измерения разности потенциалов, возникающей в следствии термодвижущей силы. Измеритель термо-ЭДС 16 сообщает управляющей программе измеренное значение термо-ЭДС. Управляющая программа сохраняет значения термо-ЭДС, температур с датчика температуры горячего электрода 5, с датчика температуры холодного электрода 8 и с датчика температуры держателя образца 7, полученные одновременно. Управляющая программа подает на блок управления 14 команду для перемещения держателя электродов 11 от образца 9 механизмом вертикального перемещения 13.
Процедура отвода электродов 1 и 2 от образца 9, установления температуры горячего электрода 1, подвода электродов 1 и 2, измерения термо-ЭДС, сохранения полученных значений термо-ЭДС и температур повторяется заданное число раз в одной локальной области образца 9.
Управляющая программа подает на блок управления 14 команду установить новое значение температуры горячего электрода 1. Повторяется предыдущая процедура измерения термо-ЭДС при фиксированном значении температуры горячего электрода 1.
Таким образом записываются значения термо-ЭДС в локальной области поверхности образца 9 при установлении температуры горячего электрода 1 от комнатной до максимального заданного значения (или от максимального значения до комнатной) с выбранным шагом изменения температуры, при этом при одной температуре измерения повторяются заданное число раз.
Перемещение электродов 1 и 2 по поверхности образца 9 осуществляется по следующему сценарию: после измерения термо-ЭДС в одной локальной области управляющая программа подает команду на блок управления 14 для перемещения держателя образца 10 механизмом горизонтального перемещения 12. Затем повторяются описанная выше процедура измерения термо-ЭДС при изменении температуры горячего электрода 1 от комнатной до максимального заданного значения (или от максимального значения до комнатной) с выбранным шагом изменения температуры в заданном числе локальных областей.
Предлагаемая установка может иметь следующие габаритные размеры: высота установки - 300 мм, длина основания - 400 мм, ширина основания - 300 мм. Блок управления основан на платформе Arduino Uno, включающей в себя микроконтроллер ATmega328. Данная платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. В качестве измерителя термо-ЭДС был выбран цифровой мультиметр Tektronix DMM4020 5-1/2 Digit Multimeter. В заявляемом устройстве электроды выполнены на основе пружинного контакт-зонда Р100-В1 (длинна 33,3 мм, диаметр 1,36 мм). Нагревательный элемент образца - керамический нагреватель 40 Ватт (12V 40W Ceramic Cartridge Heater). Нагревательный элемент горячего электрода - спираль из нихромовой проволоки намотанная вокруг горячего электрода, покрытого электроизолирующей полиимидной пленкой (Kapton). Микроконтроллер управляет нагревательными элементами, используя n-канальный полевые транзисторы IRLR8113 в режиме отсечки. В качестве датчиков температуры горячего электрода, холодного электрода и держателя образа использованы терморезисторы Epcos B57560G. В держателе образца выточены полости обеспечивающие размещение нагревательного элемента образца и датчика температуры держателя образца. Датчики температуры горячего и холодного электрода (терморезисторы) закреплены на электродах в зоне максимально приближенной к образцу с помощью термоклея Алсил-5. В данной установке использован компьютерный блок питания формата АТХ. Механизмы горизонтального и вертикального перемещения выполняется с использованием направляющих, механизма передача «винт-гайка» и шаговых двигателей серии Kysan 1124090. Для изготовления большинства соединяющих деталей применена технология экструзионной 3D-печати ABS пластиком. Для металлических опор и креплений элементов установки использованы шпильки диаметром 8 мм.
Таким образом, устройство, проводя измерения термо-ЭДС при изменении температуры горячего электрода, температуры образца, перемещении электродов для измерения в разных локальных областях образца позволяет повысить точность измерения термо-ЭДС.