Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца



Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца
Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца

 


Владельцы патента RU 2535648:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочных образцов, например образцов теплозащитных экранов, используемых в космической промышленности. Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца содержит криостат, плоские образец и поглотитель, установленные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, два датчика, измерители температуры и источник мощности, соединенный с нагревателем поглотителя или образца при измерении поглощающей или излучающей способности. Поглотитель и образец содержат тонкопленочные термометр сопротивления и нагреватель, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем и распределенные по площади поглотителя и образца. Суммарная теплоемкость термометра сопротивления и нагревателя меньше теплоемкости образца и поглотителя. Поглотитель имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца, а источник мощности является генератором переменного сигнала. Технический результат - повышение точности и чувствительности устройства при измерении поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца. 2 ил.

 

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочных образцов, например образцов теплозащитных экранов, используемых в космической промышленности.

Известен микрокалориметр с модуляцией излучения от образца, осуществляемого с помощью механического обтюратора [Herve P., Rambure N., Sadou A., Ramel D., Francou L., Delouard P., Gavila E. Direct measurement of total emissivities at cryogenic temperatures: Application to satellite coatings // Cryogenics. 2008. Т.48, №11-12. С.463-468]. Использование модуляции излучения позволило применить для измерений высокочувствительный болометр, охлаждаемый жидким гелием с чувствительностью 1.17Е-13 ВтГц-1/2. Однако микрокалориметр не позволяет проводить измерение поглощающей способности материалов. Модуляция с помощью механического обтюратора усложняет систему синхронизации синхронного детектирования и вносит паузу в измерение на время переключения обтюратора.

Известна установка для измерения поглощающей и излучающей способностей материалов [V. Musilova, P. Hanzelka, Т. Kralik, A. Srnka, Low temperature radiative properties of materials used in cryogenics. Cryogenics 45 (2005) 529-536, (прототип)], которая состоит из излучателя и поглотителя, установленных параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, которые помещены в криостат. Измеряется переход тепла от нагретого образца к черной поверхности в области 180 градусного телесного угла. Это устройство является прототипом изобретения.

Однако установка обладает следующими недостатками. С помощью нее возможны только статические измерения. В качестве датчиков температуры использованы кремниевые диоды, которые устанавливаются на достаточно массивные детали крепления излучателя и поглотителя, и имеют массу 23 мг. Например, масса образца диаметром 13 мм полиимидной пленки, широко используемой в качестве основы для создания тепловых экранов узлов космических аппаратов, равна примерно 3.5 мг. Теплоемкость датчика температуры в несколько раз больше теплоемкости предполагаемого образца. Т.е. вклад в инерционность системы одного только датчика температуры в несколько раз больше вклада тонкопленочного образца. Кроме того, массивным является нагреватель. Из-за большой массы перечисленных компонентов по сравнению с массой тонкопленочных образцов, невозможно проводить измерения таких образцов в динамическом режиме, осуществляя модуляцию мощности на излучателе с частотой, достаточной для того, чтобы отфильтровать паразитные тепловые потоки, приводящие к температурному дрейфу, и таким образом, повысить чувствительность и точность измерений.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и чувствительности при измерении поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения поглощающей и излучающей способностей пленочного образца, содержащем криостат, плоские образец и поглотитель, установленные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, два датчика, измерители температуры и источник мощности, соединенный с нагревателем поглотителя или образца при измерении поглощающей или излучающей способности, соответственно, новым является то, что поглотитель и образец содержат тонкопленочные термометр сопротивления и нагреватель, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем и распределенные по площади поглотителя и образца, при этом суммарная теплоемкость термометра сопротивления и нагревателя меньше теплоемкости образца и поглотителя, поглотитель имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца, а источник мощности является генератором переменного сигнала.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен эскизный чертеж устройства. На фиг.2 дан пример реализации термометра сопротивления, полученного методом термического напыления платины через маску на образец из полиимидной пленки.

Устройство (фиг.1, фиг.2) состоит из криостата 1, в который помещены пленочные образец 2 и поглотитель 3, расположеные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга. Поглотитель 3 с внутренней стороны обладает высокой излучающей и поглощающей способностью. Выход переменного генератора мощности 4 соединен с тонкопленочным нагревателем 5 поглотителя 3 при измерении поглощающей способности или тонкопленочным нагревателем 6 образца 2 при измерении излучающей способности. Тонкопленочные термометр сопротивления образца 7 и термометр сопротивления поглотителя 8 подключены к измерителям температуры 9, 10. Термометры сопротивления поглотителя и образца изолированы от соответствующих тонкопленочных нагревателей диэлектрическими пленками 11, 12.

Устройство работает следующим образом.

При измерении излучающей способности, на тонкопленочный нагреватель образца задается переменная мощность. С помощью термометров сопротивления 7 и 8 и измерителей 9, 10 в установившемся режиме фиксируется изменение температуры образца и поглотителя. По отношению этих изменений определяется излучающая способность образца.

При измерении поглощающей способности, на тонкопленочный нагреватель поглотителя задается переменная мощность. С помощью термометров сопротивления 7 и 8 и измерителей 9, 10 в установившемся режиме фиксируется изменение температуры образца и поглотителя. По отношению этих изменений определяется поглощающая способность образца.

Из-за меньшей теплоемкости тонкопленочного нагревателя и термометра сопротивления, они вносят меньший вклад в инерционность системы. Поглотитель не увеличивает инерционность системы, поскольку имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца. Это позволяет вести измерения на максимальной частоте модуляции мощности, которая ограничивается только инерционностью тонкопленочного образца. Влияние более медленных дрейфов температуры за счет паразитных тепловых потоков уменьшается, а точность и чувствительность измерений возрастает.

В примере реализации (фиг.2) на пленочный образец (полиимидную пленку) методом термического напыления нанесена через маску спиральная дорожка из платины толщиной 100 нм, которая распределена по образцу и является термометром сопротивления, т.е. датчиком температуры, у которого сопротивление зависит от температуры. Масса и теплоемкость термометра сопротивления на 4-5 порядков меньше массы и теплоемкости образца, поэтому он не увеличивает постоянную времени установления температуры образца. Непосредственный термический контакт термометра сопротивления по всей его площади с образцом обеспечивает точное равенство температуры образца и датчика. При исполнении тонкопленочного нагревателя по аналогичной технологии толщина напыления металла составляет примерно 1 мкм.

Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца, содержащее криостат, плоские образец и поглотитель, установленные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, два датчика, измерители температуры и источник мощности, соединенный с нагревателем поглотителя или образца при измерении поглощающей или излучающей способности, соответственно, отличающееся тем, что поглотитель и образец содержат тонкопленочные термометр сопротивления и нагреватель, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем и распределенные по площади поглотителя и образца, при этом, суммарная теплоемкость термометра сопротивления и нагревателя меньше теплоемкости образца и поглотителя, поглотитель имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца, а источник мощности является генератором переменного сигнала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе физико-химических методов анализа химических соединений. Заявлен дифференциальный массивный тонкопленочный калориметр для определения тепловых эффектов адсорбции или химических реакций газов, содержащий тонкопленочные каталитически активные измерительные рабочие массы и массы сравнения, размещенные на диэлектрической подложке и соединенные с источником нагревающего массы тока.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения теплоотдачи с поверхностей, например, нагревательных устройств в теплосетях зданий для контроля систем отопления, для определения величины утечек тепла в зданиях и в других областях, в которых необходимо контролировать процессы теплообмена.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для термостатирования калориметрических установок. .

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано при измерении количества тепла, выделяющегося при контакте сухих дисперсных материалов с водой или другими жидкостями.

Изобретение относится к технике физико-химических методов анализа химических соединений и может быть использовано для измерения теплоты химических реакций. .

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для диагностики патологии микроциркуляции крови конечностей. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для учета потребляемого тепла локальным потребителем. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в разветвленных локальных тепловых сетях при отоплении многоквартирных домов с двухтрубной системой отопления для определения доли потребленной тепловой энергии каждым отдельным потребителем, общее количество которой измеряется общим теплосчетчиком.

Изобретение относится к химии дисперсных систем и поверхностных явлений и может быть использовано для получения изотерм сорбции индивидуальных веществ из растворов с применением калориметра с изотермической оболочкой.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для учета тепловой энергии. Способ измерения тепловой энергии реализуется на измерении текущих значений температуры и переноса их значений на показатели расхода теплоносителя посредством деления потока на две составляющие и распределения теплоносителя в два выходных канала - Tmin канал начала отсчета и Tmax информационный канал, согласованные со шкалой термометра. Устройство, реализующее способ, содержит блок разделения каналов, два счетчика расхода теплоносителя и выходной коллектор, соединяющий два потока в один. Устройство состоит из корпуса 1 с входным 2 и двумя выходными каналами 3 - Tmin (Сч13) и 4 - Tmax (Сч14), термометра 5, установленного на оси 7 механизма распределения теплоносителя 6, который перекрывает одновременно оба канала (заслонки 8 и 10) в корпусе стабилизаторов потока 12 по формуле обратно пропорционального перекрытия. Теплоноситель распределяется в два выходных канала пропорционально измеренной температуре, а счетчики в этих каналах фиксируют объем прошедшего теплоносителя за определенный период времени. Устройство позволяет по показаниям счетчиков рассчитать среднюю температуру пройденного теплоносителя, суммарный объем прошедшего теплоносителя и объем потребленной тепловой энергии. Технический результат - повышение точности определения потребленной тепловой энергии. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной и космической технике. Предложено формирование датчика температуры и теплового потока осуществить непосредственно на поверхности модели разной степени кривизны без морщин и без нарушения целостности модели и физических процессов обтекания на поверхности модели и газового потока. Термопары датчиков изготовляют из пленки хромель-константана способом катодного напыления в вакууме. В качестве изоляционной пленки между моделью и термопарой, между термопарами выбрана окись алюминия. Верхняя поверхность термопары защищена от окисления жаростойкой изоляционной пленкой толщиной 0,80-0,1 мкм. Толщина обкладки с выводами термопары 0,3-0,4 мкм. Обкладки с выводами формируют через маски (из металла или пленки полиимида) и способом электрической гравировки напряжением «карандаша» 6-10 В. Технический результат - повышение функциональных возможностей датчиков температуры и теплового потока. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области тепловых измерений и может быть использовано при исследовании теплообмена и управления процессами в металлургии, энергетике и других отраслях народного хозяйства. Способ заключается в измерении разности и скорости изменения средних температур приемной и обратной поверхностей тепломера. Новизна способа заключается в том, что дополнительно измеряют скорости изменения средней по площади температуры в сечениях тепломера и температуры в точках его боковой поверхности. Технический результат - увеличение точности определения нестационарного теплового потока. 3 ил.

Изобретение относится к теплотехническим измерениям и может быть использовано для измерения количества расходуемой тепловой энергии в системах теплоснабжения. Согласно заявленному способу в соответствии с законом Ньютона-Рихмана измеряется разность средних температур отопительного прибора и воздуха, которая умножается на коэффициент теплоотдачи отопительного прибора. Коэффициент теплоотдачи отопительного прибора находят путем прекращения подачи теплоносителя в отопительный прибор , последующем измерении температурной зависимости остывающего отопительного прибора, нахождении скорости изменения температуры и вычисления названного коэффициента. После нахождение коэффициента теплоотдачи отопительная система приводится в рабочее состояние и вычисляется тепловая мощность. Технический результат - повышение точности измерения тепловой энергии, отдаваемой отопительным прибором. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения тепловой энергии носителей тепла. Устройство измерения тепловой энергии, содержащее входной и два выходных канала, термометр для измерения температуры теплоносителя и распределения его в выходные каналы и счетчик количества тепла. Все каналы механизма распределения выполнены со стабилизаторами теплового потока и имеют одинаковые проходные сечения. Выходные каналы расположены друг за другом в последовательности: вспомогательный канал (ВК) и измерительный канал (ИК). Во вспомогательный канал установлен второй счетчик. Счетчик в канале ИК показывает расход тепловой энергии как произведение пройденного объема теплоносителя за определенный период времени на верхнее значение температуры диапазона измерения термометра, а счетчик в канала ВК фиксирует объем теплоносителя как разницу общего прошедшего объема теплоносителя и объема прошедшего через канал ИК. Наличие дополнительного входа для подключения второго термометра позволяет производить измерение тепловой энергии по разнице температуры на входе и выходе локальной сети потребления. Технический результат - повышение функциональных возможностей устройства. 5 ил.
Наверх