5.5. Устройство и принцип работы приборов для диагностики кристаллов по теплопроводности

5.5.1. Основной парк приборов, применяемых в таможнях для диагностики камней, составляют приборы, основанные на использовании такого свойства драгоценных камней, как их высокий, по сравнению с другими видами камней, коэффициент теплопроводности.

В разные годы для оперативной диагностики драгоценных камней таможенные органы приобретали приборы «КРИСТАЛЛ-1», «КРИСТАЛЛ-1М», «ДИАТЕСТ-2000» и «ДАЙМОНДПРОБ» (США), «КАРАТ», «ДЕЛЬТА-1» и др., предназначенные для выявления алмазов по теплопроводности.

В приборах данного типа фактически измеряется температуропроводность, которая пропорциональна коэффициенту теплопроводности вещества.

Температуропроводность – коэффициент температуропроводности, физический параметр вещества, характеризующий скорость изменения его температуры в нестационарных тепловых процессах; мера теплоинерционных свойств вещества. Температуропроводность численно равна отношению коэффициента теплопроводности вещества к произведению его удельной теплоемкости (при постоянном давлении) на плотность; выражается в м²/сек.

Теплопроводность – один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. Перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией.

5.5.2. Теплопроводность можно оценить по скорости остывания или нагревания объектов, т.е. по температуропроводности.

Важнейшим элементом рассматриваемых приборов является датчик, содержащий металлический стержень-наконечник (например, из меди). Наконечник предварительно нагревается до определенной температуры и прижимается к одной из граней исследуемого образца.

При прикосновении наконечника к исследуемому образцу начинает изменяться температура наконечника. Скорость ее изменения зависит от теплофизических характеристик образца. Наконечник одновременно является термопарой. Термопара вырабатывает электрический сигнал, поступающий на измерительный блок. Величина этого сигнала зависит от температуры медного наконечника.

При изменении температуры наконечника меняется и величина сигнала термопары. В фиксированные моменты времени регистрируются значения этого сигнала. Разность полученных значений зависит от температуропроводности и теплопроводности исследуемого камня. Чем она больше (т.е. чем быстрее кристалл отбирает тепло у наконечника), тем более высокой теплопроводностью обладает камень.

По разности значений можно судить о теплопроводности исследуемого камня. Теплопроводность алмаза существенно выше, чем у других камней или стекла. Поэтому для алмазов разность значений будет наиболее большой.

5.5.3. Детектор «КАРАТ» может работать в режиме диагностирования кристаллов (рис. 5.1)⁴.

Общее описание прибора и его узлов приведено в п. 4.4 настоящего практикума.

5.5.4. Для работы в режиме диагностирования кристаллов к прибору надо подключить специальный датчик. Кроме того, в комплектацию прибора входит набор алюминиевых пластин-ложементов, в которых имеются углубления разных диаметров для установки кристаллов разного размера.

У правление процессами измерений и диагностики производится посредством встроенного в прибор микропроцессора в соответствии со специально разработанной программой, записанной в процессор при настройке прибора производителем. Длительность цикла измерения не больше 8 секунд.

Рис. 5.1. Детектор «КАРАТ» в режиме диагностирования кристаллов

5.5.5. Диагностируемые кристаллы (или ювелирные камни на их основе): алмаз, корунд, берилл, кварц, циркон-стекло. Минимальный размер идентифицируемых алмазов (бриллиантов) – 0,01 карата. Диагностика минералов выполняется по результатам измерения их теплопроводности, по методике, изложенной в п. 5.5.2.

5.5.6. При включении питания автоматически запускается тест, который проверяет наличие и значение напряжения питания, исправность электронной памяти. Результаты выполнения теста выводятся на дисплей-индикатор. Кроме визуальной индикации, прибор снабжен и звуковой индикацией. Так, звуковой сигнал выдается в случае успешного прохождения теста и готовности прибора к измерениям.

Этот же дисплей используется для вывода результата диагностирования – отображается текстовое сообщение в виде названия минерала.

В табл. 5.3 приведены сообщения на дисплее прибора и наименования ювелирных камней, при диагностировании которых могут выдаваться эти сообщения.

Таблица 5.3