Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методы контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов
1.1 Основные понятия в области толщинометрии покрытий 9
1.2 Методы разрушающего контроля толщины покрытий и слоев 13
1.3 Методы неразрушающего контроля толщины покрытий и слоев ... 27
1.4 Термоэлектрический метод контроля толщины слоев 38
Выводы по первой главе 40
ГЛАВА 2 Способы реализации термоэлектрического метода контроля толщины слоев 42
2.1 Виды тепловых полей в двухслойных материалах, обеспечивающих совпадение границы раздела слоев с изотермическими поверхностями 42
2.2 Контроль толщины слоев плоских двухслойных образцов при двухстороннем доступе к материалу 59
2.3 Контроль толщины слоев плоских двухслойных образцов при одностороннем доступе к материалу 65
Выводы по второй главе 69
ГЛАВА 3 Моделирование тепловых полей в плоских двухслойных образцах 70
3.1 Математическая модель теплового поля в двухслойном образце, расположенном на массивной плите с большой теплопроводностью 70
3.2 Имитационное физическое моделирование теплового поля в двухслойном материале с одинаковыми теплопроводностями слоев
3.3 Имитационное физическое моделирование теплового поля в двухслойном материале с разными теплопроводностями слоев 87
Выводы по третьей главе 98
ГЛАВА 4 Источники погрешностей при термоэлектрической толщинометрии 99
4.1 Явления, возникающие при несовпадении границы раздела слоев материалов с изотермической поверхностью 99
4.2 Использование теплового экрана с целью повышения точности и локальности измерения толщины слоя 112
4.3 Анализ метода контроля толщины слоя 117
4.4 Анализ погрешностей предложенного метода контроля 121
4.5 Экспериментальные исследования плоских образцов двухслойных материалов 133
4.5.1 Условия проведения экспериментов и объекты исследований... 133
4.5.2 Определение постоянной времени изменения теплового поля в образцах 135
4.5.3 Проведение многократных измерений 139
4.5.4 Изменение колебаний термоэлектрической способности в малой зоне поверхности биметаллической ленты 140
4.5.5 Изменение термоэлектрической способности по длине 141
биметаллических лент
4.5.6 Определение толщины слоев биметаллической ленты 143
Выводы по четвертой главе 147
Заключение 148
Список использованных источников
- Методы неразрушающего контроля толщины покрытий и слоев
- Контроль толщины слоев плоских двухслойных образцов при двухстороннем доступе к материалу
- Имитационное физическое моделирование теплового поля в двухслойном материале с одинаковыми теплопроводностями слоев
- Анализ погрешностей предложенного метода контроля
Введение к работе
В настоящее время все большее распространение получают измерения толщины слоев в двухслойных и многослойных проводящих материалах. Например, контроль покрытий, предохраняющих основной материал изделия от факторов, приводящих к его разрушению, контроль толщин слоев биметаллов.
Поверхностный износ деталей с покрытиями, как правило, начинается с небольших зон, в которых это покрытие подвергается более интенсивному воздействию агрессивных факторов или по сравнению с другими зонами имеет более слабую сопротивляемость, обусловленную пониженной плотностью, меньшей толщиной и т.д. Поэтому необходима разработка метода, позволяющего проводить контроль толщины покрытий и слоев с высокой степенью локальности, т.е. на малой площади поверхности.
Проблеме контроля толщины слоев двухслойных и многослойных материалов было посвящено значительное количество работ. Однако большинство из них рассматривало разрушающие способы контроля, использующие химические и физические методы. В то же самое время для промышленности особо важное значение имеют неразрушающие методы контроля. В этой области были проведены крупные работы Л.М. Суворовым, И.А. Кузнецовым, А.А. Лухвичем, В.И. Шарандо и др. Разработанные ими методы контроля можно подразделить на две основные группы: методы контроля средней толщины покрытий на значительной площади и локальные методы измерения толщины слоев.
Переход в приборостроении к миниатюризации изделий, контроль изделий, имеющих поверхности сложной формы, приводит к необходимости контроля толщины слоев металла на малых площадях поверхности. Таким образом, одним из основных требований, предъявляемых в настоящее время к приборам, контролирующим толщину покрытий или слоев биметаллов, является уменьшение зоны контроля, в пределах которой при измерении проводится усреднение измеряемой величины. Существующие магнитные, акустические методы, метод вихревых токов и другие не удовлетворяют указанному требованию. Методом, позволяющим теоретически уменьшить зону контроля, является термоэлектрический. Однако при современных видах его реализации этот метод рекомендован ГОСТ 9.302 к применению при толщинах покрытий до 50мкм ; он характеризуется большими погрешностями, достигающими 15% и более [1].
Цель работы - разработка усовершенствованного термоэлектрического метода и устройства контроля толщины покрытий и слоев двухслойных проводящих материалов, позволяющего проводить контроль на малой площади поверхности изделия и обеспечивающего большую точность измерения, чем существующие в настоящее время термоэлектрические методы.
Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
1 Выявление форм теплового поля, обеспечивающих совпадение изотермической поверхности с границей раздела слоев.
2 Выбор и обоснование формы источника тепловой энергии, обеспечивающего высокую локальность контроля толщины слоев.
3 Имитационное физическое моделирование теплового поля в теле, ограниченном двумя параллельными плоскостями при выбранной форме источника тепловой энергии, расположенном на его поверхности.
4 Анализ причин возникновения погрешностей при существующих термоэлектрических методах контроля.
5 Разработка усовершенствованного термоэлектрического метода и устройства контроля толщины покрытий и слоев биметаллов, характеризующегося малой площадью зоны контроля, возможностью контроля покрытий и слоев биметаллов с повышенной точностью измерения.
6 Анализ погрешностей измерения толщины слоев разработанным методом.
7 Экспериментальная проверка разработанного метода и средства контроля.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 Разработан усовершенствованный термоэлектрический метод контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов на основе создания в анализируемой зоне плоского теплового поля.
2 Разработана математическая модель стационарного теплового поля в плоских двухслойных материалах при полусферическом источнике тепловой энергии.
3 Разработана имитационная физическая модель теплового поля на базе разработанной математической модели.
4 Разработаны способ и устройство контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов повышенной точности, защищенные патентами РФ.
Методы исследования
При решении диссертационных задач использовались методы математического и имитационного физического моделирования, элементы теории подобия; метод электрических схем замещения; статистические методы обработки экспериментальных данных; аналитические методы, методы корреляционного и регрессионного анализов и теории точности.
Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью поставленных задач и согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.
Научные положения, выносимые на защиту:
1 Усовершенствованный термоэлектрический метод контроля толщины
# слоев двухслойных проводящих материалов на основе создания в анализи руемой зоне плоского теплового поля. 2 Математическая модель стационарного теплового поля в плоских
двухслойных материалах при полусферическом источнике тепловой энергии.
3 Имитационная физическая модель теплового поля на базе разработанной математической модели.
4 Термоэлектрический способ и устройство контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов повышенной точности, защищенные патентами РФ.
Практическая значимость
Разработанный способ и устройство обеспечивают контроль толщины покрытий или слоев биметаллов, соответствующих малой площади поверхности материала, позволяют проводить контроль на плоских, цилиндрических и сферических изделиях и выявлять малые зоны поверхности изделий с уменьшенной толщиной покрытий.
Реализация работы
Работа выполнялась в соответствии с необходимостью повышения точности контроля толщины покрытий и слоев биметаллических лент на ряде предприятий (ОАО «Промприбор», г Ливны; ЗАО «ОРЛЭКС», г Орел).
Разработанные методы контроля используются в ОрелГТУ на кафедре «ПМиС» в учебном процессе в ряде технических дисциплин и при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы
Работа выполнялась в рамках проектов единого заказ-наряда ОрелГТУ при поддержке РФФИ (грант № 03-01-96471).
Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на семи научно-технических конференциях:
- 7-е Всероссийское научно-техническое совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы новой техники» - Москва: НУК МТ МГТУ им. Н.Э. Баумана и МГУ им. М.В. Ломоносова, 20-22 мая, 2003 г.
- Международные научно-практические конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» - Новочеркасск: Южно-Российский ГТУ (НПИ), 2001,2002, 2003.
- Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения» - Махачкала: Дагестанский ГТУ, 21-24 октября 2003 г.
- Региональная научно-техническая конференция «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» - Воронеж: Воронежский ГТУ, 23-25 апреля 2002 г.
- Международная научно-практическая конференция «Проблемы синергетики, трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедения и мехатроники» - Новочеркасск: Южно-Российский ГТУ (НПИ), 2002.
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 14 печатных работ, получено два патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 188 страницах основного машинописного текста, содержит 43 рисунка и 33 таблицы. Она состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 134 наименования, приложений.
Методы неразрушающего контроля толщины покрытий и слоев
Необходимость измерения в широких пределах толщин покрытий и слоев из разных материалов без разрушения, привела к созданию неразру-шающих методов контроля, к которым, в частности, относятся магнитные, методы вихревых токов, магнитошумовые, радиационные, акустические, тепловые. Все они основаны на использовании зависимости свойств материалов с покрытием от толщины покрытия [34, 35]. Рассмотрим области применения этих методов.
Магнитные методы применяют при условии, что значение шероховатости основного металла и покрытия Ra меньше толщины покрытия [1]. Основными магнитными методами, применяемыми для измерения толщины покрытий, являются магнитоотрывной, магнитостатический и магнитоин-дукционный.
Магнитоотрывной метод основан на измерении силы отрыва или притяжения постоянных магнитов и электромагнитов к контролируемому объекту. Измеренная сила является функцией толщины покрытия [7, 23, 36-38]. При ферромагнитных покрытиях на немагнитном основании сила притяжения магнита увеличивается с ростом толщины покрытия; при немагнитных покрытиях на ферромагнитном основании - уменьшается. Толщину покрытия на контролируемых деталях определяют по эмпирическим градуировоч-ным кривым, построенным для данного прибора по специальным образцам с известной толщиной покрытия [4].
Метод применяют для неферромагнитных покрытий на деталях из ферромагнитных металлов при толщине покрытия до 1000 мкм и ферромаг 28 нитных покрытий на деталях из неферромагнитных металлов при толщине покрытия до 25 мкм. Относительная погрешность метода не менее ± 10% [1].
Толщиномеры, основанные на магнитоотрывном методе, просты по конструкции, малогабаритны, обладают широким диапазоном измерений, большинство из них портативны. Некоторые из них уже достаточно длительное время применяются на производстве, как, например, толщиномер конструкции Акулова Н.С. или приборы карандашного типа [33, 39].
Преимущества магнитоотрывного метода: точность определения толщины покрытий из неферромагнитных материалов не зависит от электрических свойств последних; высокая чувствительность; безопасность контроля.
Недостатки магнитоотрывного метода: влияние на результаты контроля магнитных свойств материалов изделий, которые определяются химическим составом, термической и механической обработкой, намагниченностью; зависимость результатов контроля от формы (кривизны) поверхности изделий и чистоты ее обработки, проявления краевого эффекта; влияние толщины основания; необходимость плотного контакта между магнитом и контролируемым изделием [7].
Основной недостаток приборов, использующих магнитоотрывной метод - необходимость точного измерения силы в момент отрыва магнита, при этом отрыв должен происходить одновременно по всей площади контактирования [40].
Магнитостатический метод основан на регистрации с помощью маг-ниточувствительных элементов (датчиков Холла, феррозондов, рамки с током, магнитной стрелки и т.п.) изменений напряженности магнитного поля в цепи электромагнита или постоянного магнита при изменении расстояния между ним и ферромагнитным изделием из-за наличия немагнитного покрытия [1, 36, 40]. Метод применяют для неферромагнитных металлических покрытий на ферромагнитных металлах [41-44]. Относительная погрешность метода не менее ±10% [1]. Магнитоиндукционный метод основан на изменении магнитного сопротивления участка цепи: преобразователь - контролируемая деталь, зависящего от толщины покрытия, по ЭДС, наводимой в измерительной обмотке преобразователя, по намагничивающей обмотке которого проходит ток низкой частоты [17, 22, 45]. Этот метод является наилучшим для измерения толщины неферромагнитных металлических покрытий на ферромагнитных основаниях. Взаимосвязь между изменением магнитного сопротивления и толщиной измеряемого покрытия нелинейна и близка к логарифмической.
Приборами, основанными на этом методе, можно измерять немагнитные покрытия: цинк, кадмий, олово, свинец, серебро и другие на стали. Существуют различные типы измерительных преобразователей, которыми можно измерять толщину покрытий от 1 мкм до 2—10 мм. Они малоинерционны, пригодны для массового контроля и автоматизации [7]. Относительная погрешность метода не менее ±5% [1].
Преимущества магнитостатического и магнитоиндукционного методов: высокая скорость контроля; возможность проведения измерений при одностороннем доступе к изделию; бесконтактность измерений и автоматизация контроля; безопасность.
Недостатки магнитостатического и магнитоиндукционного методов: существенная зависимость результатов измерений от шероховатости поверхности, электропроводности и магнитной проницаемости материалов покрытия и основания; влияние на результаты измерения температуры окружающей среды, формы объекта контроля (кривизна, близость края), несплошно-стей (трещин или раковин), выступов, отверстий и пазов [7].
Контроль толщины слоев плоских двухслойных образцов при двухстороннем доступе к материалу
Все три выражения (2.13), (2.29) и (2.44), определяющие толщину слоя для элементарных объемов, справедливы и для образцов в целом.
В реальных условиях приходится иметь дело с образцами конечных размеров, что приводит к нарушению второго граничного условия. Поэтому для исключения тепловых потерь в окружающую среду через боковые стенки необходимо их теплоизолировать. Так как остальные граничные условия остаются в силе для образцов конечных размеров, то обеспечение теплоизоляции торцевых поверхностей позволит использовать полученные для ha выражения и в тех случаях, когда форма реальных образцов подобна форме описанных элементарных объемов, а тепловой поток, подводимый к одной из поверхностей образца, постоянен и равномерно распределен по всей поверхности.
Контроль толщины слоев плоских двухслойных образцов при двухстороннем доступе к материалу
Наиболее близким к идеальному случаю, рассмотренному в параграфе 2.1 и реально используемым, является термоэлектрический метод контроля двухслойного материала, при котором на внешней стороне одного из слоев а (или b) , как это показано на рисунке 2.11, устанавливается горячий электрод 1, имеющий полусферический наконечник с радиусом г, нагреваемый с помощью нагревателя 2 [- Схема контроля толщины слоя а при двухстороннем доступе к материалу
Приближенно можно считать, что при малом радиусе закругления наконечника электрод под действием прижимающей силы деформирует поверхность контролируемого изделия на глубину радиуса г, которая под ним приобретает полусферическую форму (если жесткость наконечника значительно превосходит твердость исследуемого материала) и поверхность контакта наконечника с контролируемым материалом полусферическая. При этом тепловой поток Q, распространяющийся от горячего электрода в ближней к нему зоне, характеризуется, как это было показано выше, изотермическими поверхностями, имеющими форму полусфер. Из материала тепловой поток уходит в массивное тело 3 с большой теплопроводностью. По мере углубления в материал форма изотермических поверхностей изменяется и принимает у нижней границы материала форму горизонтальных плоскостей, так как поверхность массивного тела имеет одинаковую температуру. При рассматриваемом методе определения толщины одного из слоев, как это было отмечено выше, последняя определяется по значению термоЭДС, генерируемой на границе раздела слоев материалов. Эта термоЭДС будет тем больше, чем выше указанная температура. Поэтому контролируемый материал необходимо располагать так, чтобы горячий электрод был опущен на тот слой материала, который имеет меньшую толщину.
Погрешность определения толщины зависит от значения градиента температуры на рассматриваемой границе. При увеличении указанного градиента температуры погрешность, у которого ha определения толщины контролируемого слоя уменьшается. При плоской, цилиндрической и сферической формах теплового поля градиент температуры на границе, как это показано в параграфе 2.1 на рисунках 2.3, 2.6 и 2.9, так же увеличивается при уменьшении ha. В тех случаях, когда теплопроводность слоев неодинакова, целесообразно контролировать толщину слояІ Яа меньше.
Поскольку контролируется более тонкий слой материала, тепловое поле в области зоны измерения можно приближенно считать полусферическим. Поэтому расположим ось у перпендикулярно поверхностям исследуемого двухслойного материала так, чтобы она проходила через центр элек- трода и рассмотрим узкий канал к, коаксиальный оси у. Тепловой поток, распространяющийся от горячего электрода по двухслойному образцу толщиной h = ha + hb, нагревает двухслойный материал до температур: 0; - в контакте горячий электрод - слой а; на границе раздела слоев а и Ь\ 3 - в контакте слой b - массивное тело 3.
Температуру окружающей среды принимаем равной @0. При этом образуются термопары: горячий электрод - слой а, слой а-слой b, слой Ъ - массивное тело, в которых возникают термоЭДС, образованные в контактах вышеназванных термопар:
Имитационное физическое моделирование теплового поля в двухслойном материале с одинаковыми теплопроводностями слоев
Геометрические формы двухслойных образцов (биметаллов или изделий с покрытием), как правило, не являются подобными рассмотренным в параграфе 2.1 идеальным образцам. Поэтому тепловое поле в реальных контролируемых изделиях отличается от идеальных тепловых полей. В качестве характеристики теплового поля выбрана температура.
Наиболее распространенным является двухслойный плоский материал, граница раздела слоев которого расположена параллельно его верхней и нижней поверхностям. В этом случае при расположении исследуемого образца на массивной плите с большой теплопроводностью достаточно точно можно утверждать, что температура на границе контролируемый образец -массивная металлическая плита одинакова во всех точках.
При опускании горячего электрода У, как это показано на рисунке ЗЛ, на верхнюю поверхность образца 2, при радиусе его закругления много меньшем толщины верхнего слоя материала, приближенно можно считать, что горячий электрод внедряется в верхний слой материала на глубину радиуса.
При этом теплопередача происходит от полусферической поверхности горячего электрода в верхний слой материала. Если не учитывать теплоотдачу с верхней поверхности образца в окружающее пространство, то форма теплового поля вблизи поверхности электрода является полусферической.
Так как нижний слой исследуемого образца лежит на массивной металлической плите 3 с большой теплопроводностью и, как указано выше, температура во всех точках границы контролируемый образец - металлическая плита одинакова, то изотермические поверхности, расположенные вблизи нижней поверхности образца, имеют вид плоскостей, параллельных ей. Таким образом, изотермические поверхности теплового поля, по мере удаления от полусферического электрода и приближения к нижней поверхности материала, постепенно распрямляются, переходя от полусферической формы к плоской. Для анализа такого теплового поля необходимо создать его математическую модель.
Рассмотрим сначала наиболее простой случай, когда теплопроводность обоих слоев одинакова, при этом математическая модель теплового поля может быть построена исходя из следующих соображений.
Температура материала во всех точках, расположенных по нормали к поверхностям материала, проходящей через центр электрода, может быть определена по формуле (2,55), так как эти точки соответствуют теоретическим полусферическим изотермическим поверхностям с радиусом, равным расстоянию от центра электрода до рассматриваемой точки.
Температура во всех других точках образца, расположенных на различных радиусах Ra, выходящих из центра электрода под углом а к нормали, как это показано на рисунке 3.2, может быть также определена по вышеназванной формуле, но вместо радиуса R в нее необходимо подставлять расстояние / от центра электрода до точки пересечения радиуса Ra с нижней поверхностью образца, равное: / = / /cosa, а вместо ht - радиус г„, проходящий от центра электрода до точки пересечения данного радиуса с горизонтальной поверхностью, расположенной на расстоянии /г, от верхней поверхности образца.
Моделирование тепловых полей представляет большой интерес при применении термоэлектрического метода контроля толщин покрытий и слоев двухслойных материалов, так как их толщина определяется по температуре, возникающей на границе раздела слоев. Но непосредственно измерить температуру внутри объекта, не разрушая его структуру, практически невозможно. Поэтому при установке горячего электрода на поверхности двухслойного контролируемого образца, как это показано в параграфе 3.1, обычно пренебрегают распространением тепла в окружающую среду и полагают, что изотермические поверхности внутри образца также имеют полусферическую форму и описываются выражением (3.4). При этом разность температур между центральным электродом и точкой, лежащей на оси у, при х = О
Для проверки принятой математической модели было использовано имитационное физическое моделирование теплового поля с помощью метода электрических моделей.
В качестве модели-аналога наиболее целесообразно выбрать электролит, так как такой модели свойственны простота изготовления, возможность обеспечения точного соответствия между геометрией образца и модели, однородность моделирующей среды, возможность создания моделей больших размеров, что дает более высокую точность моделирования, сравнительно легкий доступ к внутренним точкам области при моделировании объемных полей. При моделировании должны быть приняты меры для устранения вредных явлений, искажающих результаты, в первую очередь нужно бороться с поляризацией электролита, нарушающей однородность среды и искажающей поле вследствие выделения пузырьков газа на электродах. Это достигается питанием модели переменным током [125].
При моделировании теплового поля в двухслойной проводящей среде с одинаковыми теплопроводностями слоев в качестве электролита использовался сантинормальный раствор NaCl.
Приготовление раствора осуществлялось следующим образом: в дистиллированной воде растворяли навеску хлористого натрия 0,58 г, раствор тщательно перемешивали, затем общий объем доводили до 1 литра и отстаивали раствор до исчезновения пузырьков газа. Сопротивление раствора, измеренное с помощью кондуктометрической ячейки (электроды которой имеют площадь 10 4м каждый и погружены в измеряемый раствор на расстоя нии 10 м друг от друга) и универсального моста Е7-14, составило R = 390 Ом.
Анализ погрешностей предложенного метода контроля
Однако под измерительным электродом, изолированным от теплового экрана, в узком канале размером 2г, практически не изменяется термоЭДС из-за действия теплового экрана. Это позволяет повысить точность определения по суммарной термоЭДС, возникающей в цепи: граница раздела между слоями - верхний слой - электрод, термоэлектрической способности верхнего слоя в точке касания его с горячим электродом. На схеме представлены: Ес— термоЭДС в контакте изолированный измерительный электрод -верхний слой; Rc — сопротивление этого электрода, части верхнего слоя и переходного сопротивления между изолированным измерительным электродом и верхним слоем; Е С термоЭДС в контакте тепловой экран - участок верхнего слоя материала под ним; R!c сопротивления теплового экрана, верхнего слоя контролируемой поверхности под ним и сопротивление перехода между тепловым экраном и контролируемой поверхностью.
Процесс измерения толщины слоя ha при использовании описанной конструкции, осуществляется следующим образом. Тепловой экран и термопары приводят в соприкосновение с контролируемой поверхностью и с помощью катушки 5, выполняющей функцию нагревателя, устанавливают температуры контакта термопар с верхним слоем и экрана одинаковыми, регулируя ток в цепи нагревателя с помощью резистора R. Значение термоЭДС, возникающей в цепи: измерительный электрод с - слой а - слой Ъ позволяет, как будет показано ниже, определить толщину слоя а. Тепловой поток, создаваемый тепловым экраном в контролируемом образце, имеет значительную площадь по сравнению с площадью теплового потока, создаваемого измерительным электродом с и обеспечивает плоское тепловое поле под горячим измерительным электродом, достигающее границы раздела слоев.
Тепловой экран уменьшает также погрешность измерения толщины слоев проводящих двухслойных материалов за счет тепловой защиты измерительного канала и рассеяния тепловой энергии вблизи зоны измерения от образца в окружающую среду. Создание плоского теплового поля расширяет диапазон измерения толщин слоев за счет повышения чувствительности устройства и уменьшения погрешности измерения.
Описанная в предыдущем параграфе конструкция измерительного устройства с тепловым экраном позволяет получить более точное соответствие реального теплового поля расчетной модели. В этом случае четыре одинаковые термопары с тепловыми экранами устанавливаются друг напротив друга по обе стороны контролируемого двухслойного материала. Для уменьшения составляющей погрешности, вызванной неточностью измерения температур в точках касания электродов с поверхностями контролируемого материала, предлагается схема, приведенная на рисунке 4.14.
Термопары 1,2, Зи4 , головки которых выполняют функцию контактных наконечников, помещены в тепловые экраны 5 и 51 и установлены на внешних поверхностях слоев а и b напротив друг друга в зоне шириной р.
Провода электродов / и с подбирают таким образом, чтобы термоэлектрические способности их были близки друг к другу. Это же требование касается и материалов тепловых экранов. За начало отсчета температуры принимается температура окружающей среды.
Тепловой экран 5 с теплоизолированным корпусом 6 и головки термопар J и 2 нагреваются до температуры @; с помощью катушки 7, силу тока в которой регулируют реостатом R1. Аналогично тепловой экран 51 с теплоизолированным корпусом б1 и головки термопар 3 и 4 нагреваются до температуры &3 с помощью катушки 7 , силу тока в которой регулируют реостатом R2, и она значительно меньше тока в катушке 7. В точках контакта головок термопар 1, 2, 3 и 4 с поверхностями слоев материала генерируются термоЭДС Е{, Е2, Е3 и Е4, которые измеряются соответственно вольтметрами pVl, pV2i pV3 и pV4. При установившемся тепловом процессе, тепловой поток Q распределяется так, как это показано на рисунке 4,14 и его форма близка к идеальной под тепловыми экранами. При этом Е} = Е2= STlJ@j и Е3=Е4= SmQ3 (4.39) где Sm - термоэлектрическая способность термопары. Откуда 0;=JEL = J H0i= L = A (4.40) Термопары 1-2 и 3-4 должны быть расположены ближе друг к другу для обеспечения равенства температур 0, и 0j в точках их касания со 119 слоями. При включении нагревательных элементов и проведении измерений необходимо выждать такой промежуток времени, при котором показания приборов pV5 и pV6 равны нулю. Это теоретически соответствует равенству температур &j и д3 в точках их касания со слоями и, следовательно, получению теплового поля плоской формы. Однако в реальных условиях равенства (4.39) не всегда могут соблюдаться, в частности, из-за погрешностей самих термопар, вызванных неоднородностью термоэлектродной проволоки. Вольтметр р V7 включенный между одноименными электродами с термопар 1 и 3, измеряет суммарную термоЭДС в цепи: электрод с- слой а - слой Ь - электрод с E7=(Sc-Sa I+{Sa-Sb 2+(Sb-Sc)B3. (4.41) Откуда 7-fo-S ,-fo-Sj03. (4.42) Таким образом, в установившемся тепловом режиме регистрируют показания всех 7 вольтметров, два из которых pV5 и pV6 должны показывать отсутствие термоЭДС.
В выражение (4.41) входят две неизвестные величины: термоэлектрические способности слоев Sa и Sb, которые можно найти следующим образом. При отключении токов в катушках условия теплопередачи меняются и в любой удобный момент времени t одновременно регистрируются показания трех приборов pVly pV2 и pV5t а в какой-либо другой момент времени tt -pV3, pV4 и pV6.
