»
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................5
ГЛАВА 1 ОБЗОР ДАТЧИКОВ И УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ.......................................................20
1.1 Основные классификации датчиков температуры................20
» 1.2 Устройства измерения температуры..........................21
1.2.1 Измерительные устройства температуры механического типа 22
1.2.1.1 Жидкостные термометры................................22
1.2.1.2 Термометр с датчиком на биметаллической ленте........22
1.2.1.3 Термометр давления...................................23
1.2.2 Термопарные устройства измерения температуры............25
ф 1.2.2.1 Принцип действия......................................25
^ 1.2.2.2 Стандартные термопары.................................29
1.2.2.3 Схемы включения термопар.............................31
1.2.2.4 Термобатареи.........................................34
1.2.3 Терморезистивные устройства измерения температуры.......37
1.2.3.1 Резистивные датчики температуры......................37
1.2.3.2 Сравнение 1Ш>датчиков с термопарами..................39
1.2.3.3 Терморезисторы.......................................48
1.2.4 Полупроводниковые схемы.................................52
• 1.2.5 Бесконтактные температурные датчики.....................56
1.2.5.1 Принцип действия.....................................56
1.2.5.2 Инфракрасный пирометр................................57
1.2.5.3 Оптический пирометр..................................63
1.2.6 Рекомендации по выбору типа датчика.....................64
ГЛАВА 2 МОДЕЛИ ФИЗИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОПОЛОГИИ МЕЗОСТРУКТУРЫ РЕЗИСТИВНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ.......................................................65
2
2.1 Метод получения мезоструктуры термодатчика и описание его конструкции........................................................65
2.2 Физическая и топологическая модели мезоструктурного датчика температуры........................................................71
2.3 Эквивалентная электрическая схема мезоструктуры и принцип действия мезоструктурного датчика..................................74
2.4 Обоснование гипотезы «температурного гистерезиса и эффекта • памяти» температуры...............................................76
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
3.1 Описание автоматизированного измерительного комплекса.......79
3.1.1 Функции компьютерного блока управления измерениями.......80
3.1.2 Методика измерения температуры...........................81
ф 3.1.3 Канал измерения сопротивления pSRTD-датчика..............85
^ 3.1.4 Саморазогрев сенсорного слоя pSRTD-датчика...............88
3.1.5 Калибровка измерительной системы.........................90
3.2 Компьютеризированный комплекс измерений в режиме реального времени............................................................90
3.2.1 Функции компьютерного блока управления измерениями.......91
3.2.2 Канал измерения температуры..............................92
3.2.3 Канал измерения сопротивления pSRTD-датчика..............93
3.2.4 Источник тока............................................96
3.2.5 Калибровка измерительной системы.........................97
3.3 Математические методы обработки сигналов....................98
3.3.1 Алгоритм «медианной фильтрации» сигналов.................98
3.3.2 Использование стандартных программных пакетов ORIGIN и OrCAD..............................................................99
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭВОЛЮЦИИ СТРУКТУРНОФАЗОВЫХ СВОЙСТВ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ
*
3
ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕЗОСТРУКТУРНЫХ
ПОКРЫТИЙ В ПРОЦЕССАХ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ......................101
4.1 Исследование структурнофазовых свойств мезоструктурных
покрытий в процессах термоциклирования......................101
4.1.1 Анализ поверхности образца рЗЯТО-датчика на основе алюминия..101
4.1.2 Анализ поверхности образца рЭИТО-датчика на основе никеля.. 104 і 4.1.3 Анализ поверхности образца рвИТО-датчика на основе титана... 107
4.2 Исследование температурных характеристик сопротивления
мезоструктурных покрытий в процессах термоциклирования......110
4.2.1 Анализ температурной характеристики сопротивления рЭИТО-датчика на основе алюминия.................................110
4.2.2 Анализ температурной характеристики сопротивления р8ЮТ)-ф датчика на основе никеля.....................................111
4.2.3 Анализ температурной характеристики сопротивления р81ТГО-датчика на основе титана....................................114
4.3 Взаимосвязь структурнофазовых и температурных характеристик сопротивления мезоструктурных покрытий в процессах термоциклирования..........................................115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................118
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.............................118
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........................119
ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................131
ПРИЛОЖЕНИЕ В.............................................134
ПРИЛОЖЕНИЕ С................,............................135
ПРИЛОЖЕНИЕ Э............................................ 136
ПРИЛОЖЕНИЕ Е........................................... 137
ПРИЛОЖЕНИЕ Р.............................................139
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Современные производства ориентируются на высокоинтенсивные технологии, которые невозможно мыслить без использования уникальной измерительной техники и систем управления, использующих различные датчики для измерения параметров сложных быстропротекающих процессов. Дальнейшее развитие таких технологий зачастую требует использования датчиков в критических условиях эксплуатации. В настоящее время среди широкого класса терморезистивных датчиков температуры наибольшее распространение получили два типа терморезисторов: проволочные и микропленочные. Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются следующие характеристики:
1) собственные характеристики датчика: размер, влияние вибраций, механические воздействия, чувствительность, температурный диапазон, стабильность, точность, способность регистрации температуры мелких частиц и движущихся объектов, область применимости датчика, отсутствие воздействия датчика на процесс измерения, коэффициент саморазогрева, однородность, стоимость, взаимозаменяемость;
2) внешние характеристики: контактный или оптический способ измерения температуры, требуемая точность измерения, диапазон изменения температуры, максимальная температура, необходимое быстродействие датчика, условия эксплуатации, дополнительные требования.
Несмотря на высокую степень приближения к линейности температурной зависимости терморезистивных датчиков температуры, известные типы датчиков не обладают достаточной устойчивостью к воздействию импульсных динамических нагрузок, которые приводят к разрыву токоведущего слоя. Это объясняется тем, что для повышения чувствительности этих датчиков требуется применение сверхтонких пленок и проволок, которые не выдерживают резких ударов, больших температурных градиентов и механических напряжений. Таким образом, актуальной задачей в области
теплофизических методов исследования процессов взрыва и горения является разработка терморезистивных датчиков, работающих в условиях критических эксплуатационных нагрузок.
Работа выполнена в соответствии с утвержденным планом "Критических технологий федерального уровня" (утвержден Правительственной комиссией по науч.-техн. политике от 21.07.96 N 2728п-П8) по Разделу 1 (1.9. Опто- и акустоэлектроника), Разделу 2 (2.4. Электронно-ионоплазменные технологии), Разделу 3 (Материалы и сплавы со специальными свойствами).
Цель работы заключается в разработке, создании и исследовании нового типа датчика температуры, устойчивого к ударным механическим и тепловым нагрузкам и предназначенного для изучения быстропротекающих процессов в дисперснофазных средах.
Задачи исследования:
1. Разработать датчик нового типа, способного измерять эффективную температуру быстропротекающих процессов в дисперснофазных средах, представляющего собой терморезистивный слой композиционной структуры и устойчивого к ударным тепловым и механическим нагрузкам.
2. Разработать конструкцию и изучить принцип работы нового типа датчика температуры.
3. Разработать измерительный комплекс, позволяющего автоматизировать измерения характеристик датчика и измерения температуры исследуемой среды с помощью датчика.
4. Исследовать структурнофазовые свойства и температурные характеристики сопротивления терморезистивного слоя датчика в процессах термоциклирования.
Научная новизна результатов исследований:
1. Разработан датчик нового типа, способный измерять эффективную температуру быстропротекающих процессов в дисперснофазных средах, представляющий собой терморезистивный слой композиционной структуры и устойчивый к ударным тепловым и механическим нагрузкам.
6
2. Предложены и обоснованы для сенсорного слоя датчика модели физической топологии в виде мезоструктуры сплэт-частиц и эквивалентной ей электрической топологии в виде схемы параллельных и последовательных соединений сопротивлений, возникающих на границах соединения сплэт-частиц.
3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена гипотеза «температурного» гистерезиса и эффекта «памяти» эффективной температуры исследуемой среды, которую регистрирует датчик в процессе измерений.
4. Разработан компьютеризированный комплекс, позволяющий в режиме реального времени проводить измерения характеристик датчика и измерения температуры исследуемой среды с помощью датчика с высокой точностью.
5. Обнаружена эволюция структурнофазовых свойств и температурных характеристик сопротивления сенсорного слоя мезоструктурного датчика температуры в процессах термоциклирования, а также их взаимосвязь.
Методы исследования.
В диссертационной работе использованы методы электрофизических измерений, методы металлографических исследований, термоэлектрические методы, методы математической статистики и обработки эксперимента!ьных данных, методы обработки и кодирования цифровых потоков данных.
Практическая ценность работы:
Разработанный датчик нового типа за счет возможности управления толщиной напыляемого слоя в процессе его формирования позволяет регулировать диапазон его начальных сопротивлений, то есть расширять диапазон температур исследуемых быстропротекающих процессов в дисперснофазных средах.
Используя «температурный» гистерезис в качестве основы метода измерения, можно достаточно точно и надежно измерять сопротивления после удаления датчика из исследуемого интенсивного потока частиц при комнатной температуре, так как разница в сопротивлениях, измеренных при комнатной температуре до и после внесения датчика в исследуемый поток частиц,
пропорциональна «эффективной» температуре исследуемого процесса, что и определяет эффект «памяти» температуры.
Разработанный компьютеризированный комплекс на базе нового датчика позволяет проводить измерения в режиме реального времени, в результате имеется возможность получать больший объем информации, а, следовательно, и более полное представление о структуре и других характеристиках быстропротекающих процессов в дисперснофазных средах.
Основу метода контроля качества напыления покрытий предлагается базировать на измерении их температурных характеристик сопротивления, так как обнаружена эволюция и взаимосвязь структурнофазовых свойств и температурных характеристик сопротивления покрытий в процессах термоциклирования.
Публикации, Содержание диссертационной работы отражено в 11 публикациях научных статей в периодической печати, трудах конференций.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: VIII International Symposium on Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS 2005). - Quartu S. Elena (CA), Italy 21-24 June, 2005,: Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука, технологии, инновации», Новосибирск, НГТУ, 2004г,: Девятая международная конференция «Физико-химических процессы в неорганических материалах», поев. 50-летию Кемеровского государственного университета, 22-25 сентября 2004 г. КемГУ. Кузбассвузиздат, 2004г., 5-ая Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, АлтГТУ, 2004г., IV International conference on radio physics and the microwave electronics. Kharkov, Ukraine, 2005.
Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 111 наименований.
8
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1. Датчик нового типа, модель физической топологии которого представлена в виде мезоструктуры сплэт-частиц, а эквивалентная ей электрическая топология - в виде схемы параллельных и последовательных соединений сопротивлений, возникающих на границах соединения сплэт-частиц.
2. Разработан компьютеризированный комплекс, позволяющий в режиме реального времени проводить измерения характеристик датчика и измерения температуры исследуемой среды с помощью датчика с высокой точностью.
3. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение гипотезы «температурного» гистерезиса и эффекта «памяти» эффективной температуры исследуемой среды, которую регистрирует датчик в процессе измерений.
4. Эволюция структурнофазовых свойств и температурных характеристик сопротивления сенсорного слоя мезоструктурного датчика температуры в процессах термоциклирования, а также их взаимосвязь.
Краткое содержание работы
Во введении обоснованы актуальность, научная и практическая значимость проблемы, сформулированы цель и задачи исследований.
В первой главе проведен обзор работ по датчикам температуры, приведены классификации датчиков: по типу выходного сигнала, по типу чувствительной среды, по типу устройств измерения температуры.
В обзоре приведено описание измерительных устройств температуры механического типа, жидкостных термометров, термометров с датчиком на биметаллической ленте, термометров давления, термопарных устройств измерения температуры, их схемы включения, в том числе термобатареи, терморезистивных датчиков температуры и их сравнение с термопарами. Для терморезистивных датчиков температуры обращено внимание на возможное
»
явление саморазогрева в датчиках, а также на неоднородность в термопарах, указаны допуски на вибрацию, помехоустойчивость, время срабатывания, точность и воспроизводимость измерений.
Обзор дополнен описанием и анализом характеристик для полупроводниковых схем, бесконтактных температурных датчиков: инфракрасный пирометр, тепловые датчики, квантовые датчики, оптический пирометр. Обзор завершается классификацией рекомендаций по выбору типа 9 датчика температуры в зависимости от условий, в которых возможна их
эксплуатация.
Во второй главе рассмотрен метод изготовления устойчивого к большим термомеханическим нагрузкам терморезистивного датчика, который должен быть изготовлен в условиях, подобных условиям, в которых он должен эксплуатироваться. Наиболее подходящими для этого технологиями ф являются детонационно-газовое и плазменное напыление покрытий из частиц
^ металлических порошков. Скорость соударения частиц порошка с подложкой
лежит в пределах от 0.4 до 1.5 М (М-число Маха), что обеспечивает напорное давление в точке соприкосновения от 100 до 800 МПа в зависимости от плотности частиц металлического порошка. Температурный диапазон частиц порошка, напыляемых на подложку с помощью таких технологий, обычно лежит в пределах от 600 до 2300 °С.
Сформированный в таких условиях терморезистивный слой должен выдерживать эксплуатационные нагрузки, не превышающие указанные выше пределы. Изготовленный таким образом датчик будет иметь явно выраженную мезоструктуру (от греч. //esos - средний, промежуточный), то есть часть образующихся слоев, занимает среднее, промежуточное положение. По этому отличительному признаку терморезистивные датчики такого типа для краткости будем обозначать в дальнейшем аббревиатурой: pSRTD (MesoStructure Resistant Temperature Detector).
+
10
»
На керамическую подложку методом детонационно-газового напыления (ДГН) наносился тонким слоем мелкодисперсный порошок металла, в качестве которого использовались металлы: И, N1, А1.
Для нанесения на керамическую подложку порошкообразного металла использовалась технологическая установка детонационно-газового напыления «Катунь-М».
Предложены физическая и топологическая модели мезоструктурного » датчика температуры. Каждый слой рБЯТИ формируется при соударении
расплавленной частицы металла с подложкой. По результатам литературного обзора, например, было отмечено, что при взаимодействии жидкой капли металла с твердой поверхностью растекание жидкости сопровождается теплообменом и фазовым превращением - кристаллизацией. Конкуренция этих процессов и определяет финальную форму затвердевшей капли, ф Механизм образования отдельных частиц в процессе нанесения покрытия
^ (сплет-частиц) и формирования из них терморезистивного слоя
проиллюстрирован в тексте главы.
В рамках этой, уже общей постановки задачи, для успешного внедрения рЗЯТО-технологии в микроэлектронику встает вопрос о прогнозировании формы затвердевших капель металла при их осаждении на поверхности различных материалов в условиях, соответствующих средним значениям чисел Вебера (\Уе=1-100) и Рейнольдса (11е<1500). Таким образом, благоприятный прогноз в области получения соответствующей формы капель невозможно сделать без сознательного и углубленного изучения процессов, происходящих в момент соприкосновения капли металла с подложкой. Здесь необходимо четкое понимание влияния различных
факторов на процесс формирования мезоструктуры. Определяющими параметрами, с нашей точки зрения, являются такие как: природа
взаимодействующих материалов, соотношение температуры капли металла и подложки, а также скорость и размер осаждаемых частиц.
11
В главе представлена модельная топология р81ШЗ-датчика. В качестве диэлектрической подложки выбран керамический материал (сапфир - А^Оз), т.к. он обладает достаточной механической прочностью, высоким значением электрического удельного сопротивления и низким коэффициентом теплопроводности.
Работа р8ЯТО-датчика основана на известной зависимости удельного сопротивления от температуры. Однако в отличие от серийно выпускаемых ЯТО-датчиков р81Ш>датчик формируется в виде чешуйчатой наслоенной структуры сплет-частиц, образующей проводящие металлические участки и области контактов между ними. Причем резистивные свойства подобной структуры будут определяться двумя факторами, во-первых, сопротивление рБЯТО зависит от химической природы проводящего материала (классический 1Ш)), а во-вторых, числом и качеством контактных площадок между отдельными сплет-частицами. Такая мезоструктура будет определять резистивные свойства датчика, причем при низких (300-500 К) температурах определяющую роль будет играть линейная зависимость сопротивления от температуры, а при высоких (>500 К) - решающее значение будут определять процессы, происходящие в контактных областях, а именно процессы постепенного разрушения контактов между отдельными осажденными сплет-частицами. Этот процесс будет приводить к постепенному отклонению температурной зависимости от линейного вида.
Покрытие, состоящее из несколько слоев, образующих мезоструктуру, в общем виде может быть представлена трехмерной матрицей, состоящей из сетки сопротивлений. При анализе эквивалентной электрической схемы, на данном этапе ограничимся плоским слоем, который формирует набор параллельных и последовательных сопротивлений, возникающих на границах соединения частиц. Общее сопротивление датчика определяется химической прочностью соединения частиц между собой, числом, размером и видом контактов.
- Київ+380960830922