Термоэлектрическое устройство для контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство снабжено тепловым экраном, окружающим электрически изолированный от него горячий измерительный термощуп с нагревателем и представляющим собой полый толстостенный металлический цилиндр, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, создающий тепловое поле с плоскими изотермическими поверхностями, одна из которых совпадает с границей раздела слоев. В теле экрана расположены дополнительный нагреватель и вспомогательный термощуп, также электрически изолированный от теплового экрана. Технический результат - устройство уменьшает погрешность измерения толщины за счет тепловой защиты измерительного канала. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов термоэлектрическим методом, и может быть использовано для контроля гальванических и других покрытий, поверхностных слоев металлических изделий, подвергнутых механическим, термическим и другим воздействиям, а также для контроля толщины слоев биметаллических материалов.

Известно термоэлектрическое устройство измерения толщины проводящих покрытий на проводящей основе, содержащее измерительные термощупы, холодный и горячий с нагревателем, приваренную к нерабочему торцу горячего термощупа термопару, являющуюся источником термоЭДС для установки прибора на “нуль” с помощью потенциометра, и соединенный с ним и регулятором чувствительности гальванометр. При контактном подводе тепла от горячего термощупа к поверхности контролируемого материала в нем устанавливается тепловое поле, определяющее температуру в каждой точке материала. Толщина покрытия определяется по термоэлектродвижущей силе, возникающей на границе раздела покрытия и основы, зависящей от температуры этой границы и являющейся функцией толщины измеряемого покрытия [1].

Недостатками указанного устройства являются низкая точность измерения толщины покрытия из-за несовпадения изотермических поверхностей теплового поля с нижней границей покрытия в зонах, близких к боковым граням горячего термощупа, и, следовательно, различия температур в разных точках рассматриваемой границы, а также невозможность измерения относительно больших толщин верхних слоев двухслойных материалов, так как по мере увеличения измеряемой толщины неравномерность температуры на границе раздела слоев тоже возрастает. При полусферическом тепловом поле относительное изменение температуры вдоль границы раздела слоев можно описать выражением

где - температура в точке х_i=0, лежащей на границе раздела слоев непосредственно под центром горячего измерительного термощупа;

- температура на расстоянии x_i от указанной точки вдоль границы раздела слоев;

h - толщина измеряемого слоя.

Вид этой зависимости приведен на фиг.1. В каждой точке границы раздела слоев генерируется термоЭДС, равная

где E₀ - термоЭДС, генерируемая в точке x_i=0.

Неравенство термоЭДС Е_xi и Е₀ создает шунтирующие токи, приводящие к уменьшению напряжения в измерительной цепи и вызывающие погрешность измерения [1].

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения путем исключения влияния шунтирующих токов за счет создания под горячим измерительным термощупом плоского теплового поля и, соответственно, обеспечения постоянства температуры по длине границы раздела слоев в области измерительного канала и расширения диапазона измеряемых толщин путем увеличения площади нагрева поверхности контролируемого материала и глубины его прогрева.

Это достигается тем, что термоэлектрическое устройство для контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов, содержащее измерительные термощупы, холодный и горячий с нагревателем, приваренную к нерабочему торцу горячего термощупа термопару, являющуюся источником термоЭДС для установки прибора на “нуль” с помощью потенциометра, и соединенный с ним и регулятором чувствительности гальванометр, в отличие от прототипа, снабжено тепловым экраном, окружающим электрически изолированный от него горячий измерительный термощуп с нагревателем и представляющим собой полый толстостенный металлический цилиндр, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, создающий тепловое поле с плоскими изотермическими поверхностями, одна из которых совпадает с границей раздела слоев, в теле экрана расположены дополнительный нагреватель и вспомогательный термощуп, также электрически изолированный от теплового экрана, вспомогательный термощуп контактирует с контролируемой поверхностью и создает вместе с ней и горячим измерительным термощупом дифференциальную термопару, блок управления током дополнительного нагревателя, вход которого подключен к нерабочим торцам горячего измерительного и вспомогательного термощупов.

На фиг.2 изображена схема термоэлектрического устройства.

Устройство содержит тепловой экран 1, окружающий электрически изолированный от него горячий измерительный термощуп 2 с нагревателем 3, представляющий собой полый толстостенный металлический цилиндр, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, в теле которого размещены дополнительный нагреватель 4 и вспомогательный термощуп 5, также электрически изолированный от тела экрана. Наличие слоя электрической изоляции исключает участие металлического цилиндра в создании измерительной термоЭДС в цепи: измерительный горячий термощуп 2 - контролируемая поверхность 6 - измерительный холодный термощуп 7, которая фиксируется с помощью гальванометра 8. К нерабочему торцу измерительного термощупа 2 припаяна термопара 9, являющаяся источником термоЭДС для настройки прибора на “нуль” перед измерением с помощью потенциометра R1. Регулятор R2 служит для корректировки чувствительности, изменяющейся вследствие износа торца термощупа. Термощупы 2 и 5 вместе с контролируемой поверхностью создают дифференциальную термопару, концы которой соединены с блоком управления 10, регулирующим ток в цепи питания дополнительного нагревателя 4.

Устройство работает следующим образом. Тепловой экран приводят в соприкосновение с контролируемой поверхностью и с помощью нагревателей 3 и 4 нагревают до одинаковой заданной температуры. Температура в точке контакта холодного измерительного термощупа 7 с контролируемой поверхностью 6 равна температуре окружающей среды. По величине термоЭДС, возникающей в цепи: горячий измерительный термощуп 2 - контролируемая поверхность 6 - холодный измерительный термощуп 7, судят о толщине измеряемого слоя. Термощупы 2 и 5 вместе с поверхностью материала составляют дифференциальную термопару, термоЭДС которой, пропорциональная разности температур в местах контакта измерительного и вспомогательного термощупов, снимается с нерабочих торцев этих термощупов и подается в блок управления 10, регулирующий ток в цепи питания дополнительного нагревателя 4 теплового экрана. Путем регулировки тока добиваются одинаковых температур в точках контакта термощупов с контролируемой поверхностью и тем самым обеспечивают одинаковую температуру на всем контролируемом участке поверхности образца под тепловым экраном 1 и горячим измерительным термощупом 2. Тепловой поток, создаваемый тепловым экраном в контролируемом образце, имеет значительную площадь по сравнению с площадью теплового потока, создаваемого измерительным термощупом 2, и обеспечивает плоское тепловое поле под горячим измерительным термощупом, которое в таком виде достигает границы раздела слоев и, соответственно, постоянство температуры по границе раздела, исключая возникновение шунтирующих токов в области измерительного канала k. Шунтирующие токи, возникающие за пределами измерительного канала в цепи: тепловой экран - контролируемая поверхность, не влияют на результаты измерения, так как наличие слоя электрической изоляции на термощупах 2 и 5 исключает участие теплового экрана в создании измерительной термоЭДС. Плоское тепловое поле улучшает прогрев контролируемого материала и тем самым повышает чувствительность устройства.

Предлагаемое устройство уменьшает погрешность измерения толщины слоев проводящих двухслойных материалов за счет тепловой защиты измерительного канала, которая исключает передачу тепла в зоне измерения от образца в окружающую среду, обеспечивая при этом плоское тепловое поле, т.е. постоянство температуры вдоль границы раздела слоев и отсутствие влияния шунтирующих токов в области измерительного канала k, что, в свою очередь, расширяет диапазон измерения толщин слоев за счет повышения чувствительности устройства и уменьшения его погрешности.

Источник информации

1. Суворов Л.М. Термоэлектрический метод измерения толщины гальванических покрытий. // Заводская лаборатория, 1964. - №8, – с.959-962.

Формула изобретения

Термоэлектрическое устройство для контроля толщины слоев двуслойных проводящих материалов, содержащее измерительные термощупы, холодный и горячий с нагревателем, приваренную к нерабочему торцу горячего термощупа термопару, являющуюся источником термоЭДС для установки прибора на "нуль" с помощью потенциометра, и соединенный с ним и регулятором чувствительности гальванометр, отличающееся тем, что оно снабжено тепловым экраном, окружающим электрически изолированный от него горячий измерительный термощуп с нагревателем и представляющим собой полый толстостенный металлический цилиндр, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, создающий плоское тепловое поле с плоскими изотермическими поверхностями, одна из которых совпадает с границей раздела слоев, в теле экрана расположены дополнительный нагреватель и вспомогательный термощуп, также электрически изолированный от теплового экрана, вспомогательный термощуп контактирует с контролируемой поверхностью и создает вместе с ней и горячим измерительным термощупом дифференциальную термопару, блок управления током дополнительного нагревателя, вход которого подключен к нерабочим торцам горячего измерительного и вспомогательного термощупов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2