Датчик микрокалориметра и способ его изготовления

1. Датчик микрокалориметра, выполненный в виде спирали с витками, имеющими прямолинейные участки, образованные анизотропными термоэлементами с углом наклона главной кристаллографической оси 45^o к внутренней плоскости витка, соединенные электрически последовательно, скрепленные изолятором и с электрическими выводами на концах, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, витки спирали выполнены в виде правильного многоугольника, соседние стороны которого скреплены так, что образуют угол между главными кристаллографическими осями анизотропных термоэлементов 360^o/n, где n число сторон правильного многоугольника.
2. Способ изготовления датчика микрокалориметра, включающий изготовление прямоугольного параллелепипеда из монокристалла анизотропного материала с углом наклона главной кристаллографической оси основания параллелепипеда к сторонам основания 45^o, вырезание из прямоугольного параллелепипеда спирали с витками, имеющими форму многоугольника, и подсоединение к концам спирали электрических выводов, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, прямоугольный параллелепипед разрезают параллельно его основанию на пластины, которые скрепляют по граням в форме правильной призмы или пирамиды так, чтобы углы между главными кристаллографическими осями скрепленных пластин из анизотропного материала составляли 360^o / n, где n число сторон многоугольника, лежащего в основании призмы, после чего пластины режут на полосы перпендикулярно граням, образуя витки спирали, которые скрепляют изолятором.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и касается измерения количества тепла, а именно измерения теплоемкости твердых и жидких тел, тепловыделения химических реакций и радиоактивных веществ, наблюдения фазовых переходов, измерения интегральных потоков лучистой энергии и т.д.
Целью изобретения является повышение чувствительности датчика микрокалориметра и упрощение способа его изготовления.
На фиг.1 изображен виток спирали вихревого термоэлемента и дана его развертка с указанием направления тригональной оси, показано, что тепловой поток, направление которого дается стрелкой, вызывая сложение ЭДС в ветвях спирали вихревого термоэлемента; на фиг.2 изображена спираль датчика.
Датчик микрокалориметра выполнен в виде спирали с витками, имеющими форму правильного многоугольника, сторонами которого являются анизотропные термоэлементы, все имеющие угол наклона главной кристаллографической оси 45^о к внутренней плоскости витка, равный 45^о. Соседние стороны правильного многоугольника образуют угол между главными кристаллографическими осями анизотропных термоэлементов 360^о/n, где n число сторон правильного многоугольника. Витки спирали электрически связаны между собой, скреплены изолятором, а к концам спирали из анизотропных термоэлементов, соединенных последовательно, подключены электрические выводы. Угол между главными кристаллографическими осями анизотропных термоэлементов 360^о/n, где n число сторон правильного многоугольника, являющегося витком спирали, позволяет соединять все стороны многоугольника анизотропные термоэлементы электрически последовательно. Это обеспечивает эффективное преобразование теплового потока в электрический сигнал и соответственно повышение чувствительности датчика.
Способ изготовления датчика микрокалориметра включает изготовление прямоугольного параллелепипеда из монокристалла анизотропного материала с углом наклона главной кристаллографической оси под 45^о к основанию параллелепипеда в плоскости, параллельной меньшей стороне параллелепипеда. Прямоугольный параллелепипед режут параллельно основанию параллелепипеда на прямоугольные пластины, которые затем скрепляют по краям в форме правильной призмы так, чтобы углы между главными кристаллографическими осями скрепленных пластин составлял 360^о/n, где n число сторон многоугольника, лежащего в основании призмы или пирамиды. Затем скрепленные пластины режут на полосы перпендикулярно их граням так, чтобы они продолжали друг друга, образуя витки спирали в форме правильного многоугольника, которые затем скрепляют последовательно изолятором и подсоединяют к концам спирали электрические выводы. Способ упрощает трудоемкую операцию сложной фигурной резки спирали из монокристаллического прямоугольного параллелепипеда из анизотропного материала. Она заменена на резку спирали из скрепленных пластин в форме призмы или пирамиды перпендикулярно граням призмы, которая легко осуществима. Предварительные операции, заключающийся в резании параллельно основанию параллелепипеда прямоугольных пластин и их скреплении, например пайкой на оправке, также просты. Кроме того, резка спирали из скрепленных пластин в форме призмы или пирамиды обеспечивает фактически безотходное использование дорогостоящего термоэлектрического материала.
При изготовлении описанного датчика способ включает следующие операции. Из монокристалла анизотропного материала изготовляют прямоугольный параллелепипед с углом наклона главной кристаллографической оси 45^о к основанию параллелепипеда в плоскости, параллельной меньшей стороне параллелепипеда, после чего прямоугольный параллелепипед режут параллельно основанию на пластины. На оправку (фиг.2), имеющую в сечении, например, квадрат, закрепляют вырезанные электроискровой резкой монокристаллические пластины (1, 2, 3, 4) толщиной 0,5-2 мм так, чтобы их тригональные оси были направлены, как показано на фиг.1, и ребра этих пластин, например, спаиваются припоем на основе висмута. Затем оправка укрепляется в станке для электроискровой резки, например, на базе микроскопа.
Далее производится резка монокристаллических пластин на полосы шириной 0,2-0,5 мм таким образом, что эти полосы из пластин на разных сторонах оправки продолжают друг друга, что достигается с помощью некоторого скоса в расположении полос на одной из сторон. После резки полученная спираль снимается с оправки и спираль погружается в клей, например в БФ. Витки спирали склеиваются и придают спирали механическую прочность, к концам спирали припаиваются электрические выводы.
Полученная спираль является датчиком теплового потока микрокалориметрической ячейки, образованной при введении в спираль контейнера, в который помещается исследуемый тепловыделяющий или теплопоглощающий объект.
Работа микрокалориметрической ячейки заключается в следующем.
Пусть в контейнере находится исследуемое, например, на теплоемкость вещество. Контейнер помещают в датчик теплового потока спираль из анизотропных термоэлементов, закрывают в простейшем случае с двух торцевых сторон пробками, выполненными из плохо проводящего вещества, например из пенопласта.
Затем ячейку располагают в термостат с температурой Т₁ и температура термостата меняется до Т₂. При изменении температуры термостата образуется тепловой поток, нагревающий вещество в контейнере и возбуждающий ЭЖС в анизотропных термоэлементах.
Так как ЭДС , то при изменении хода с временем получаем dt dQ, Q dt откуда теплоемкость
C
Изменение ЭДС со временем можно записать, например, самописцем и, сравнивая площади под кривыми, полученными при измерении исследуемого вещества и эталонного при той же разности температур, вычисляем
C C_эт где S₁ и S₂ площади под кривыми хода ЭДС со временем при изменении температуры от Т₁ до Т₂ для исследуемого вещества и эталонного вещества, теплоемкость которого хорошо известна.
Технико-экономические преимущества предлагаемого датчика заключаются в повышении чувствительности измерения, а также в значительном уменьшении постоянной времени.
Для кондуктивного абсолютного однокамерного микрокалориметра по данному изобретению с датчиком из висмута в сравнении с известным микрокалориметром с датчиком из вихревого термоэлемента чувствительность для обнаруженной мощности на порядок выше, а постоянная времени в 3-5 раз меньше.
Предложенный способ изготовления прост, легко осуществим и обеспечивает экономию термоэлектрического материала переходом на безотходную технологию.
Изобретение относится к теплофизическим измерениям и позволяет повысить чувствительность устр-ва и упростить способ его изготовления. Датчик выполнен в виде спирали, витки которой имеют форму правильного многоугольника. Соединение стороны спирали образуют угол 360°/n между главными кристаллографическими осями анизотропных термоэлементов (n - число сторон многоугольника). Для получения спирали режут прямоугольный параллепипед, изготовленный из монокристалла анизотропного материала с углом наклона главной кристаллографической оси под 45° к основанию параллепипеда, на прямоугольные пластины. Скрепленные по краям в форме правильной призмы пластины режут на полосы, продолжающие друг друга. Полученные витки скрепляют последовательно изоллятором. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.