Теоретическая часть

Температура – один из важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Около 40% всех измерений в промышленности и научных исследованиях составляют измерения температуры. Не менее 60% всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических термометров или, как их часто называют, термопарами. Область температур, измеряемых термопарами, охватывает диапазон от 0, 5 до 3000 К.

Широкому применению в промышленности и научных исследованиях термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения температуры в труднодоступных участках и в малых объектах. К числу достоинств термопар относятся также: широкий диапазон измеряемых температур, малая инерционность, возможность измерения температуры поверхности, температуры быстро протекающих процессов, малых разностей температур и т.п.

Возможность измерения температур с использованием термопар обусловлена возникновением термоэлектрических явлений. При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрации электронов в проводниках из различных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми.

В замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлических проводников А и В (рис.7), температура соединения спаев которых поддерживается различной, появляется электрический ток. Электродвижущая сила или равная ей разность потенциалов на концах разомкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов, когда температуры спаев различ-

Рис.7. Термоэлектрическая цепь

ны, называется термоэлектродвижущей силой или сокращенно т.э.д.с. пары АВ и обозначается символом Е. Эта цепь называется термоэлементом или термопарой.

Зависимость электродвижущей силы E от температуры T можно выразить формулой:

E=аT+bT²+cT³ (13)

Здесь Е, мкВ, а Т-º С. Чаще всего довольствуются двумя членами – первой и второй степени, что практически даёт вполне достаточную точность. Величины a, b, с характеризуют физическую природу металлов, образующих термопару. Эта температурная зависимость нарушается при температурах аллотропических превращений, плавления, в точках Кюри. Электродвижущая сила E ощутимо изменяется в зависимости от степени чистоты металлов, образующих термопару, и их состояния (дефекты, величина зерна и т.п.).

При изучении термоэлектрических явлений часто пользуются величиной e- термоэлектродвижущей силой на 1 º С. величина е зависит от температуры, так как, согласно формуле (13), между Е и Т нет прямой пропорциональности. Поэтому е обычно выражается в дифференциальной форме:

e=dE/dT=a+2bT+3cT² (14)

Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов и сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур (рис.8) В термопарах используются проводники, имеющие большую и стабильную дифференциальную термоэлектродвижущую силу (т.э.д.с) е, а для изготовления обмоток измерительных приборов и эталонных резисторов применяют материалы и сплавы с возможно меньшей т.э.д.с. е относительно меди, чтобы избежать в измерительных схемах паразитных т.э.д.с., которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

Комплект термоэлектрического термометра (рис. 8) состоит из термоэлектрического преобразователя, основой которого является термопара, и вторичного прибора (обычно потенциометра, реже милливольтметра).

Удлиняющие провода служат для «удлинения» термопары и переноса её свободных концов в зону постоянной температуры. В том случае, когда температура промежуточных спаев одинакова, пользуются проводами, которые в паре имеют такую же температурную зависимость т.э.д.с., что и термопара (так называемые провода с суммарной компенсацией).

Рис.8. Схема термоэлектрического термометра:

1-рабочий спай, 2-изоляторы, 3- защитный кожух, 4- термоэлектроды,
5-промежуточные спаи, 6-удлиняющие (компенсационные провода),
7-реперные спаи, 8-медные провода, 9- измерительный прибор.

Направление возникающего термоэлектрического тока, протекающего через горячий спай термопары – от более электроотрицательного металла – электрода к более электроположительному. Это можно определить по ряду напряжений: Sb, Fe, Au, Cu, Ag, Zn, Pb, Pt, Bi и т.д., в котором каждый последующий металл более электроотрицателен.

Все важнейшие характеристики термоэлектрического термометра: величина сигнала, чувствительность, диапазон измеряемых температур, ресурс, стабильность и др.; зависят в основном от свойств материалов, образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Для изготовления термопары принципиально возможно пользоваться парой любых разных металлов и сплавов, однако целесообразно использовать только определенные, так называемые термоэлектродные сплавы, которые получили распространение в измерительной технике.

Одной из главных причин того, что для термопар используются вполне определенные сплавы, является многообразие и сложность предъявляемым к ним следующих требований:

1) Термоэлектродвижущая сила сплавов, образующих термопару, должна быть достаточно большой для того, чтобы ее можно было измерить с необходимой точностью. Она должна быть непрерывной и однозначной функцией температуры, без экстремумов. Желательно, чтобы эта функция была максимально близка к линейной;

2) Температура плавления термоэлектродных сплавов должна быть выше максимальной температуры, при которой термопара должна работать;

3) Иметь коррозионную устойчивость в тех средах и при тех температурах, при которых должна работать термопара;

4) Обладать стабильностью т.э.д.с. за длительный период эксплуатации;
5) Сплавы для термопар должны быть достаточно пластичными, чтобы из них было возможно изготавливать проволоку, и вместе с тем достаточно прочными.

В качестве термопар чаще всего применяют следующие сочетания – соединения металлов: платинородий (10% родия) – платина (ППР); платинородий (30% родия) – платинородий (6% родия) (ПР 30/6), хромель (90%Ni + 10%Cr) – алюмель (95%Ni + Al, Si, Mn) – ХА, хромель – копель (56%Cu + 44%Ni) – ХК, константан (60%Cu + 40%Ni) + медь. Для измерения высоких температур (до 2400 ⁰С) используют сплавы вольфрама с рением. Их можно применять только в вакууме или в нейтральной атмосфере.

Значение термоэлектродвижущей силы термопары зависит от химического состава используемых термоэлектродных материалов. Поэтому методом измерения т.э.д.с. в некоторых случаях можно определять изменения в химическом составе материалов. Так, при термической обработке сталей происходит химическое взаимодействие материала поверхностного слоя с окружающей средой. При этом происходит обезуглероживание стали, связанное с выгоранием углерода в поверхностном слое по реакции: С + О₂ = СО_2. Глубина обезуглероженного слоя может быть определена методом т.э.д.с., при котором измеряется т.э.д.с. на обезуглероженной и необезуглероженной поверхности.

4. ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ОБРАЗЦЫ

ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

С целью исследования изменения т.э.д.с. различных термоэлектродных материалов используется установка, схема которой приведена на рис. 9

Исследуемые 2-5 и контрольная 1 термопары помещаются в электрическую печь сопротивления 6, которая включается в сеть. Изменения температуры в печи контролируются с помощью термопары 1 хромель – копель, изменение т.э.д.с. которой в зависимости от температуры известно. В качестве прибора для измерения т.э.д.с. используют милливольтметр марки В7-40/1. Вместо него можно использовать потенциометр ПП-63.