Термопары в векторной энергетике

I ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОПАР ДЛЯ ЗАМЕРА ТЕМПЕРАТУРЫ Задача исследования некоторых технологических операций, таких, как гидродробеструйная обработка поверхностей деталей, заливка антифрикционного слоя подшипников скольжения высокофорсированных дизелей, литье, механическая обработка, сварка, пайка, ионно-плазменное напыление деталей машин, приборов и аппаратуры и другие выходят за рамки, очерченные законом Гука и сплошь и рядом приходится рассматривать вопросы связанные с поверхностным пластическим деформированием. При решение подобного рода закон Гука теряет свою силу и прямая пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями описывается по более сложной упругопластической зависимости. Изучение механики поверхностного пластического деформирования поверхностей и установление количественных связей между режимами последнего и напряженно-деформированным состоянием обработанных поверхностным пластическим деформированием поверхностей деталей составляет предмет исследования важного технологического направления, так как аналитически учесть факторы, влияющие на формирование поверхностных слоев сложно. Однако разработка основ расчета с приемлемой, для практики их использования точностью является одной из актуальных проблем теории и практики технологии поверхностного пластического деформирования.
Технологические процессы механической обработки, литья, сварки, пайки, ионно-плазменного напыления, гидродробеструйного упрочнения, ультразвуковой обработки и так далее, формируют в поверхностных слоях деталей машин, приборов и аппаратуры наряду с микрогеометрией, глубиной и степенью упрочнения неоднородное силовое ноле начальных остаточных напряжений, вызывающих при изготовлении деталей коробление, усталостные трещины. При этом основанием возникновения начальных остаточных напряжений при технологической отделочно-упрочняющей обработке служат пластическая деформация, локальный нагрев, микроструктурные и фазовые превращения. С одновременным воздействием силового нагружения и нагрева, в материале деталей усиливается процесс ползучести и, как следствие, релаксация начальных остаточных напряжений. Проследить последовательно этапы формирования неоднородного силового поля начальных остаточных напряжений очень сложно, так как эта задача не имеет ни теоретического, ни экспериментального решения. Имеющиеся немногочисленные теоретические разработки базируются на определении начальных остаточных напряжений в режиме насыщения, то есть на таком этапе процесса, дальнейшее продолжение которого практически не изменяет напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя. Тема моего дипломного проекта - оценка материалов разнородной упругости с позиций современных методов векторной энергетики. В качестве материала разнородной упругости я буду рассматривать термопару. Термопара- датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Действие термопары основано на эффекте термоэлектричества. Температура — один из важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека. В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Г.Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цели протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока. Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара - два проводника из разнородных материалов соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термо ЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рисунок 1), образующих часть одной и той же цепи. Рисунок 1 - Термоэлектрический эффект Термо ЭДС термопары обусловлена тремя причинами. Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой в спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличия градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный ноток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фотонов — квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фотоны сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термо ЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару, Зависимость напряжения от температуры нелинейна, однако в небольшом диапазоне температур термо ЭДС пропорциональна разности температур спаев Т1 и Т2: ЭДС-8ГГ2-Т1К (1), где S- коэффициент Зеебека. При постоянной температуре свободного конца термоэлектродвижущая сила зависит только от температуры рабочего конца термопары. Такая зависимость позволяет использовать термопары для измерения температуры после предварительной градуировки. Термопары, как правило, градуируют при температуре свободного спая t0=0°С Градуировкой, или характеристикой термопары, называют зависимость между термоэлектродвижущей силой и температурой горячего спая при температуре свободных концов 0°С. Принцип действия термопары иллюстрируется следующим рисунком (рисунок 2). Если температуры спаев различаются, и температура одного из спаев известна (например, измерена с помощью термометра или терморезистора), то температуру второго спая (то есть измеряемую температуру) можно найти из уравнения (1). Для того, чтобы упростить процесс измерения температуры с помощью термопары, температуру холодного спая можно застабилизироватъ например, опустив холодный спай в ванночку со льдом (рисунок 3). Однако применение компьютера совместно с системой сбора данных делает эту процедуру излишней, поскольку температура холодного спая изменяется в небольших пределах, и поэтому применение даже недорогого терморезисторного датчика позволяет получить хорошие результаты с помощью программной компенсации температуры холодного спая.

Ж елезо
Железо Т1 Т2
Константан
Константан Рисунок 2 - Принцип действия термопары Рисунок 3 - Стабилизация температуры холодного спая Рисунок 4 - Подключение вольтметра с помощью третьего металла При подключении к термопаре внешней электрической цепи появляются новые контакты разнородных металлов, которые вводят в измерительную цепь дополнительные ЭДС. Однако можно видеть (рисунок 4), что, например термоЭДС двух контактов медь-константан включены встречно и поэтому компенсируют друг друга. Это позволяет использовать термопару на большом удалении от измерителя напряжения, соединив их обычными медными проводами. Сварка проводов, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое но размеру соединение – спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температурой плавления припоя. При температурах, близких к температуре плавления припоя, контакт разнородных металлов в термопаре может, нарушишься. Термопары, наготовленные сваркой, выдерживают более высокие температуры, однако химический состав термопары и структура металла в месте сварки могут нарушаться, что приводит к разбросу температурных коэффициентов термопар. Под действием высоких температур может произойти раскаллибровка термопары вследствие изменения диффузии компонентов металла в месте сварки. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить. При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается, и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность термопары возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект. Промьшленностъю выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем. Термопары с открытым контактом имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. В таблице 1 приведены кипы термопар и их маркировка в соответствии со стандартом ANSI. Особенностью термопар по сравнению с другими типами термодатчиков является то, что температурный коэффициент зависит только от материала, из которою изготовлена термопара и не зависит от ее конструкции (термопары выполняются в форме щупа, прокладки, бронированного зонда.). Это делает термопары взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки. Выбирать подходящую термопару для измерения определенной температуры следует с учетом различных требований, причем в отношении некоторых требований приходиться принимать компромиссные решении. Однако к термоэлектродам наряду с приемлемой ценой и надежностью представляют следующие требования: высокая чувствительность к изменениям температуры (высокий коэффициент термоЭДС), линейность характеристики термоЭДС., благоприятные динамические свойства (малая инертность), достаточная механическая прочность при высоких температурах, стойкость против коррозии, стабильность термоэлектрических свойств во времени. С течением времени из большого числа возможных комбинации материалов термоэлектродов получили лишь некоторые, причем каждая пара, как правило, имеет свою специфическую область применения. Все материалы для термопар делят на две группы: пары благородных металлов. Стандартные градуировки термопар представлены в таблицы 2 Таблица 1 - Классификация термопар
Термопары из благородных металлов, преимущественно из платины и ее сплавов с родием, обладают высокой точностью и отличаются воспроизводимостью термоэлектрической характеристики Термопары из благородных металлов имеют, как правило, низкую чувствительность к изменениям температуры и к тому же они довольно дороги. Рассмотрим подробнее некоторые из них.
Таблица 2 - Температурные характеристики основных типов термопар Тип Обозначение градуировки Материалы электродов Пределы изменения, Со От До Допустимый предел, Со ТПП ПП-1 Платинородий (10 % родия) -20 1300 1600 ТПР ПР-30/6 Платинородий (30 % родия) 300 1600 1600 ТХА ХА Хромель-алюмель -50 1000 1300 ТХК ХК Хромель-копель -50 600 800 ТНС НС Сплав НК-СА 300 1000 ----- ТВР ВР-10/20 Вольфрам-рений 100 1800 ----- ТВР ВР-5/20 » 800 1950 ----- Платинородий-платиновая термопара (ТПП). В зависимости от назначения эти термопары делятся на эталонные, образцовые и рабочие. Рабочие подразделяются на лабораторные и технические. Эталонные термопары служат для поверки образцовых термопар, а образцовые для поверки рабочих термопар. Назначение термопар определяет высокие требования к чистоте платины для их изготовления. Платина должна удовлетворять условиям : R100/R0>1.390 и рПлатинородий-платиновые термопары надежно работают в нейтральной и окислительных средах, но быстро разрушаются в восстановительной атмосфере. особенно в присутствии окислов металла и кремнезема вблизи термопары Вредно действуют на платину пары металла и углерод ( особенно окись углерода ). В том, что при промышленных измерениях требуется тщательная изоляция термопары от непосредственного воздействия измеряемой среды. Термопары шла ТП11 по жаростойкости и постоянству термо ЭДС. являются лучшими из всех существующих. При правильной -эксплуатации они сохраняют постоянство своей градуировки в течение весьма длительного времени Недостаток термопар по г о типа - малая I >,д.с. по сравнению с термопарами других типов. Платинородий (30 % родия) платинородивая (6 % родия) термопара (тип ТПР) использую: для измерения высоких температур в окислительной среде и нейтральной атмосфере. Главный минус - высокая стоимость. Особенность лих термопар в том, что они применяются для измерения самых высоких температур и развивают очень малую г.).д.с.(0.04 мВ при 120°С и 0.002 мВ при 20°С).не гребчя поправки на температуру холодных спаев. Термопары 11111 и ТПР платиновой группы изготовляются обычно в виде проволоки диаметром 0,5 или 1 мм, которая изолируется фарфоровыми бусами или трубками. Термопары из неблагородных металлов применяют преимущественно для измерения более низких температур. Они дешевле термопар из благородных металлов, и на их долю приходится абсолютное большинство всех применяемых термопар: во многих странах они отчасти стандартизированы. Хромель-алюмелевая термопара (тип ТХА) используют для измерения температуры газовых сред, пара, жидкости до 1300°С. Кривая зависимости термо ЭДС от температуры для термопар этого типа близка к прямой. Большое содержание никеля в сплаве обеспечивает стойкость термопары против окисления и коррозии. Восстановительная среда вредно действует на хромель-алюмелевую термопару. Хромель-копелевая термопара (тин ТХК). Из всех стандартных термопар эта термопара развивает наибольшую термо ЭДС, что позволяет термоэлектрические термометры с узкой температурной шкалой, например с диапазоном 0-300 °С. Используется для измерения температур различных сред. Копель содержащая медь при высоких температурах окисляется. Термопара из сплава НК-СА (тип ТНС). Характерная особенность данной термопары в том, что она, как и термопара типа ТПР, не требует введения поправки на температуру холодных спаев, так как термо ЭДС, развиваемая термопарой до 200°С практически равна нулю. Стандартные термопары ТХА, ТНС и ТХК изготавливаются из проволоки диаметром 0,7-3,2 мм и изолируются керамическими бусами. В особых случаях применяют и нестандартные термопары. Из их числа сравнительно широко применяются медь-константановые, железо-константановые, медь-копелевые и железо-копелевые термопары. Термопары медь-константан (Cu-Konst) особенно пригодны для измерения низких температур от -250 до 400°С. При более высоких температурах медь не обладает достаточной стойкостью к кислороду воздуха. Эти термопары наряду с железо-константановыми имеют наиболее крутую температурную характеристику, но их характеристика недостаточна линейна. Железо-константановые термопары (Fe-Konst) допускают более широкий диапазон измерения от -250 до 700° С, если коррозионно-активная среда не препятствует их применению. Следует учитывать, что железо в присутствии влаги может коррозировать, а его термоэлектрические свойства в связи с этим изменяются. Постоянство термоэлектрических свойств во времени тоже надежно не обеспечивается. Термопары нихром-никель (почти то же, что хромель - алюмель) имеют среди термопар из неблагородных металлов самый высокий температурный диапазон измерения: от -200 до 1300°С. Эти термопары отличаются точностью и устойчивостью, однако их температурный коэффициент термо ЭДС меньше, чем термопар медь-константан и железо-константам. Характеристика их в достаточной степени линейна. Окалинообразование вследствие окисления становится заметным при температуре выше 600° С, что ограничивает время использования термопар в верхней области их температурного диапазона.
Нестандартные термопары при изготовлении обязательно градуируются. Для измерения низких температур применяются термопары: медь-золото +2,1 % кобальта (от -270 до +100 °С): мель-медь +0,005 % свинца (от -270 до -240°С). Для измерения низких температур до -200° С, могут быть использованы и термопары, применяющиеся обычно для измерения более высоких температур, в частности хромель-алюмелевые и хромель-копелевые.
Реальный верхний предел использования термопар лежит в интервале от 2500 до 3000°С. Надежными термопарами для измерения температур до 21000 являются иридий-родий-иридиевые (40;50 и 60 % родия). Обычно данные термопары работают в инертной среде, но в течение ограниченного времени их можно применять и на воздухе. Широкое развитие получили научно-исследовательские работы по замене термоэлектронов из дорогих и дефицитных благородных металлов термоэлектронами из более доступных тугоплавких металлов. Так, для измерения высоких температур (от 2100 до 2200 °С) надежно работает - вольфрам-иридиевая термопара. Надо иметь в виду, что все термопары на основе тугоплавких металлов и сплавов требуют тщательной защиты от окисления и агрессивных сред. Для измерения высоких температур наиболее перспективными оказались термопары на основе вольфрам-рениевых сплавов (тип ТВР). Главные их достоинства -температура плавления выше 3000°С высокая термо ЭДС, химическая устойчивость при высоких температурах в защитной среде. Тип ТВР применяется для измерения температуры расплавленной стали, температуры в вакууме, в нейтральной и в восстановительных средах. При измерениях высоких температур в средах, содержащих углерод, находят применение термопары из сплавов молибдена с ранием. Разработаны термопары на основе графита, карбида бора, борида циркония, силицида, молибдена. Они позволяют измерять температуру окислительных сред до 1600-1850оС, а восстановительный и науглероженных сред- до 2300о С. В термоэлектрогенераторах, термоэлектрохолодильниках, различных измерительных приборах применяются также полупроводниковые термопары с термоЭДС, в 5-10 раз больше, чем термоЭДС обычных термопар из металлов и металлических сплавов. В качестве термоэлектродных материалов в этих термопарах применяют сплавы ZnSb и CdSb. Надежность измерения температуры с помощью термоэлектрических термометров зависит от их конструкции и расположения и от возможности их контакта с измеряемой средой. Если физические и химические условия допускают это, то термопара может быть введена в измеряемую среду без защитной оболочки (чехла). В этом случае она имеет преимущество перед другими контактами термопарами, поскольку ее можно разместить в самых трудно доступных местах, а ее размеры могут быть приняты практически сколь угодно малыми, чем обеспечивается благоприятное динамическое поведение (малая инерционность). При высоких температурах или агрессивных средах термопара должна быть помещена в защитную арматуру (чехол). Теперь остановимся подробнее на каждой конструкторской форме исполнения термопар. Термоэлектрические термопары без защитной арматуры. Металлические термоэлектроды обычно изготавливают из проволоки, реже из не очень тонкой фольги для волос. Диаметр проволоки может быть в пределах от 0,1 до 5 мм. Простейшую термопару можно получить из двух термопроводов, если спаять их концы мягким или твердым припоем или же, что обычно и делается, сварить их в атмосфере защитного газа. Такие открытые незащищенные термопары можно использовать лишь в благоприятных условиях окружающей среды, например для погружения, в неагрессивные жидкости, в тестообразные или пластические массы, либо для установки в трубах и резервуарах. Так называемый термощуп не имеет места соединения термоэлектродов, соединение формируется только через электропроводную поверхность (листа, слитка, стержня), температура, которой должна измеряться. Местом спая является само тело. Контактные наконечники, которые при наличии слоя окалины или оксидов должны протыкать его, выполняются сменными. У термометра с дужкой пружинящая полоса прижимается к выпуклой поверхности тела, температура которого измеряется. Место спая, выполненного стыковой сваркой, и значительная часть термоэлектрического материала плотно прилегают к поверхности тела. Погрешность измерения, вызванная отводом тепла, при этом получается незначительной. Термоэлектрические термопары с защитной арматурой. Если по каким-либо причинам измеряемая среда может повредить термоэлектроды, то их помещают в защитные металлические или керамические трубы (чехлы). Термоэлектроды изолируют один от другого с помощью керамических трубочек (бусинок) и вставляют в трубу, открытую с одной стороны. Наружная металлическая труба обеспечивает защиту от механических нагрузок. Внутренние защитные трубы из керамики или фарфора предотвращают диффузию газов из окружающей среды, особенно сильно развивающуюся при повышенных температурах и способную изменить термоэлектрические свойства термопары. Вид и материал защитных труб выбирается в соответствии со свойствами окружающих материалов. Многочисленные конструктивные формы и необходимые принадлежности в значительной части регламентированы стандартами и другими нормативными документами. Усовершенствованным вариантом термоэлектрического термометра с защитной арматурой являются так называемые термопары с оболочкой, которые получили широкое распространение. Благодаря компактной конструкции их размеры могут быть очень малыми (наружный диаметр в пределах 0,25-6мм). Вследствие этого они получаются очень гибкими при достаточной механической прочности. Наименьший радиус изгиба может составлять всего шесть наружных диаметров оболочек. Термоэлектроды изолированы один от другого термостойким керамическим порошком. Рабочий конец (место спая) может быть либо изолирован от материала оболочки, либо соединен с ним. Оболочку обычно изготавливают из коррозионно-стойкой высоколегированной стали, а в особых случаях – из благородных материалов. Каждый термометр может содержать до трех термопар. Термометры такой конструкции могут выдерживать внешнее давление до нескольких сотен атмосфер (десятков мегапаскалей). Динамические свойства тонких термопар достаточно благоприятны. Материалы термоэлектродов, выполненные в виде фольги, располагаются между двумя поддерживающими пластинами из пластмассы или алюминия. Эти элементы можно наклеивать как тензометрические датчики. Они очень легко принимают форму неровных поверхностей, толщина их может составлять примерно 0,05ч1мм. Конструктивное оформление термопар разнообразно и зависит главным образом от условия их применения. В промышленности применяют десятки типов и разновидностей термопар, различным по своим техническим характеристикам. На рисунке 5 показана термопара типичной конструкции. Она представляет собой два электрода из разнородных металлов, скрученных, а затем сваренных или спаянных на одном конце (рабочий конец). Рабочий конец 12 находится в изоляционном фарфоровым наконечнике (колпачке) 11. Электроды 10 изолированы друг от друга фарфоровыми изоляторами (бусами) 7 и заключены в защитный чехол 8 из углеродистой стали. Рабочий конец чехла, предназначенный для установки в измеряемую среду, представляет собой наконечник 9 трубы из жароустойчивой стали. Наконечник 9 одним концом соединен посредством резьбы или сварки с чехлом 8, а на другом конце находится вставное донышко, завальцованное в трубу и заваренное. Жаропрочный наконечник 9 имеет различную длину, зависящую от глубины погружения термометра в измеряемую среду, его делают с таким расчетом, чтобы в зоне высоких температур находился только сам наконечник. В головке 5 помещена пластмассовая панель 6, в которой закреплены клеммы (зажимы) 4. Концы термоэлектродов входят в отверстия клемм и зажимаются винтами 2. В верхние прорези клемм через штуцер 13 и асбестовую уплотнительную набивку 14 вводят концы компенсационных соединительных проводов, которые прижимаются верхними винтами 3. клеммную панель закрепляют в головке прижимной скобой1. Головку закрывают крышкой 15 с уплотнителем.
1-прижимная скоба; 2-винт крепления электрода; 3-винт для зажима компенсационного провода; 4-клеммы; 5-головка термопары; 6-панель зажимов; 7-форфоровая изоляция; 8-защитный чехол; 9-жароупорный наконечник; 10- термоэлектроды; 11- фарфоровый наконечник; 12-рабочий конец; 13-выводной штуцер; 14-уплотнительная набивка; 15-крышка головки.
Рисунок 5 - Конструкция термопары Независимо от конструкции термопара должна удовлетворять следующим требованиям: изоляция термоэлектродов должна исключать возможность короткого замыкания и электрических утечек. Термоэлектроды должны быть защищены от механических повреждений и химического воздействия измеряемой среды. Термоэлектродные провода должны быть надежно подключены к термопаре. Пределы основных допустимых погрешностей термопар в диапазоне свыше ЗОО о С до верхнего предела измерения вычисляются но формулам : - для ТПП 0,01 +2,5* 10-5 (t-300) мВ - для ТХА 0,16+2,0*10-4 (t-300) мВ - для ТХК 0,2-6,0* 10 -4(t-300) мВ Для правильного измерения температуры термоэлектрическим методом необходимо обеспечить постоянство температурь холодного спая. Для этого применяют специальные термоэлектродные провода, с помощью которых холодный спай из зоны переменных и относительно высоких температур в головке термометра переносится в зону с постоянной и низкой температурой. Термоэлектродные провода в паре между собой должны развивать такую же термоЭДС, что и термопара при той же температуре. Интервал температур, в котором соблюдается указанное равенство термоЭДС, должен быть не меньше возможной разницы температурами на зажимах головки термопары и холодным спаем (обычно не более 150°С). Термоэлектродные провода часто называют компенсационными. При присоединении термоэлектродных проводов к термопаре должна быть соблюдена полярность: положительный электрод (в названии преобразователя стоит первым) соединяется с положительной жилой провода. Ошибка в полярности приводит к уменьшению замеряемой термоЭДС и занижению показаний. 2 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОПАР, ТРЕБОВАНИЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ Термопары применяют в устройствах для измерения температуры и в различных автоматизированных системах управления и контроля. В сочетании с электроизмерительным прибором (милливольтметром, потенциометром и тому подобное) термопары образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов (рисунок 6а), либо в разрыв одного из них (рисунок 6 б). При измерении температуры, один из спаев осязательно термостатируется (обычно при 273К).
б)
а) 1-измерительный прибор, 2-компенсационные провода, 3,4-термоэлектроды. Рисунок 6 - Способы подключения измерительных приборов. В зависимости от конструкции и назначения различают термопары: погруженные и поверхностные, с обыкновенной взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или не герметичной), а так же без оболочки, обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные, стационарные и переносные и так далее. Для получения показания, измерения, регистрации, выработки сигнала регулирования к термоэлектрическому термометру подключают вторичные приборы. Вторичные приборы, работающие с термопарами: 1) Потенциометры (КСП) -КСП-4 - полногабаритный с диаграммной лентой -КСП-3 - малогабаритный с диаграммным диском -КСП-2 - малогабаритный с диаграммной лентой -КСП-1 - миниатюрный с диаграммной лентой -КПП-1 - миниатюрный с плоской шкалой -КВП-1 - миниатюрный с вращающимся циферблатом. 2) Милливольтметры-, -Ш69003 - допускают подключение одной термопары -Ш4500- допускают подключение одной термопары -Ш4540- допускают подключение одной термопары -Ш4542- допускают подключение одной термопары -Ш69004- допускают подключение 12-ти термопар (работает по 12-ти каналам) -Ш4541- осуществляют двухпозиционное регулирование температуры -Ш4501- осуществляют двухпозиционное регулирование температуры Теперь рассмотрим подробнее применение каждого вида термопар подробнее. Термопары платинородиевые –платиновые и платинородий – платинородиевые предназначены для кратковременного измерения температуры расплавов меди в конверторах и газов под сводом отражательной печи, температуры горячего дутья доменных печей и температуры купола воздухонагревателя при воздействии на брызгозащищенную головку температуры -45…+85 °С, брызг воды, падающих в любом направлении. Преобразователи типа ТПР и ТПП предназначены для измерения температуры воздуха, инертных газов, не содержащих веществ, вступающих во взаимодействие с материалом термопары преобразователя, а также они применяются для кратковременного измерения температуры расплавленной стали контактным методом, т.е. непосредственным погружением в жидкий металл. Преобразователи термоэлектрические типа ТХА (хромель-алюмелевые) предназначены для измерения температуры различных средств: -температуры пара в котельных установках. -температуры фундамента доменной печи при атмосферном давлении. -температуры корпусов и головок червячных прессов для переработки пластмасс и резиновых смесей. -температуры выхлопных газов, воды. -температуры воды с содержанием борной кислоты до 16 г/л и тиосульфата натрия до 1% по массе при давлении 18МПа; бетонной защиты металлоконструкций реакторы в условиях постоянного воздействия быстрых нейтронов, тепловых нейтронов и y-излучения. -температуры азотоводородной смеси и газов после сгорания природного газа, моноэтаноламинового раствора во взрывоопасных помещениях всех классов и наружных установках. Преобразователи типа ТХК (хромель-копелевые) предназначены для измерения температуры поверхности твердых тел в промышленных условиях, жидких и газообразных средств в промышленных условиях, а также для измерения температуры электрообогрева и в паровых камерах обжарки пищевых изделий. Преобразователи типа ТВР (вольфрам-рениевые) предназначены для измерения температуры в водородных электропечах в условиях сухого и увлажненного водорода в пределах 300… 1800 С при избыточном давлении измеряемой среды 5,33 кПа, а также для кратковременного измерения температуры в высокотемпературных печах с вольфрамовыми или молибденовыми нагревателями в среди «чистого» аргона при избыточном давлении 20…30 кПа или в вакууме. В нефтехимической промышленности широко применяют радиационные пирометры РАПИР- приборы, предназначены для измерения температуры тела по тепловому действию его суммарного излучения. Они применяются для измерения температур в пределах от 100 до 2500 С. Для измерения температуры в них обычно применяют батарею последовательно включенных термопар, ЭДС которых измеряется автоматическим потенциометром.
Электронная промышленность поставляет интегральные схемы (модули) и измерительные преобразователи, которые линеаризируют нелинейные характеристики термопар, регистрируют непостоянную сравнительную температуру свободного конца(холодного спая) и компенсируют ее, а также усиливаю термо ЭДС до уровня стандартного сигнала.
Применение полупроводниковых термопар нашло широкое применение в термоэлектрических генераторах. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию, они используются в передвижных АЭУ, питающих труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли (автоматические метеостанции, морские маяки). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. В качестве источников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ: радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы (ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно принимают, что при электрических мощностях от 1 до 10кВт на КЛА целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности – ЯРТЭГ. Последние наиболее перспективны для АЭУ КЛА. Достоинства ТЭГ: большой срок службы, высокая надежность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м (на единицу поперечного сечения элемента), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м и сравнительно низкий КПД преобразования энергии (5ч8%). Применительно к ЛА ТЭГ представляют собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов (ТЭЭ), которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно, а ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или цилиндрические конструкции ТЭГ снабжают устройствами для подвода тепла на горячих спаях и для его отвода на «холодных» спаях полупроводниковых термостолбиков. Конструкция силовых электровыводов ТЭГ должна обеспечивать одновременно термоплотность и электрическую изоляцию от корпуса (контейнера), что представляет достаточно сложную техническую задачу. В основе действия любого ТЭЭ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона (Кельвиан) и Зеебека. Определяющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зеебека). Преобразование энергии сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекания тока. Материалы ТЭЭ с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника. 1-стенка нагревателя; 2,6- слои диэлектрика; 4,9-спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков; 3,5,8-металлические шины; 7-стенка холодильника, Рисунок 7 - Принципиальная схема полупроводникового ТЭГ При рабочих температурах Т ≥ 900 ч 100 К целесообразны сплавы от 20 до 30 % Ge-Si, а при Т ≤ 600 ч 800 К - материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на рисунке 1. Тепло Q1 подводится к ТЭЭ (ТЭГ) через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя (например, жидкометаллического), тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора.Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводиться от ТЭГ (излучение, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованны металлическими шинами 3 и 5,8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур ∆Т=Т1-Т2. Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9 .Ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав SI-Ge акцепторных примесей атомарного бора B. Ветвь n-типа с электронной проводимостью образуется при легировании SI-Ge донорными атомами фосфора P. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с шинами 3,5,8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном. Принцип работы ТЭЭ. (рисунок 1).Кинетическая энергия электронов на конце цепи с Q1> Q2 выше, чем на “холодных” концах с T=T2, следовательно преобладает диффузия электронов от горячего спая к холодным концам, концентрация электронов в р - и n-ветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает конец термостолбика n-типа , по отношения к которому конец столбика p-типа имеет положительный потенциал. Разность потенциалов E=Z(T1-T2) обуславливает ток I (при замыкании цепи на сопротивление Rн нагрузки) и полезную мощность Di=I2Ri. Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надёжной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Однако для сохранения высокой точности измерений необходимо соблюдение ряда требований, применение специальных методов. Эти требования и методы уже реализованы в современном промышленном измерительном оборудовании, что позволяет получать высокоточные отсчёты температуры с использованием термопарных датчиков. Но существующие конструкции термопар обладают рядом недостатков: - структура металла в месте сварки может нарушаться, - под действием высоких температур может произойти раскалибровка термопары в месте сварки, -нарушение жесткого защемления в местах присоединения компенсационных проводов. Одним из способов решения этих недостатков – упрочение зоны горячего спая поверхностным пластическим деформированием. В своей дипломной работе я попробую решить эту проблему. 3 Основные параметрические соотношения векторной энергетики в оценке материалов термопар. Для определения основных параметрических соотношений векторной энергетики материалов термопар, рассмотрим термопару как жёстко защемлённый стержень разнородной упругости. Параметры векторной энергетики в данном случае будут: сила нагружения стержня,- P модуль упрочнения участка AC. -E1 модуль упругости элемента AB - E2 реакции стержня. - Nac и Nab Рассмотрим схему формирования начальных остаточных напряжений в пластически деформированном слое его разгрузки из предельного состояния. Для этого возьмём в объёме полунебесконечного тела цилиндрический стержень BC разнородной упругости (рисунок.10), жестко защемленный и нагруженный силой P. Рисунок 8 - Схема векторного нагружения стержня разнородной упругости Элемент AC представляет упрочнённый слой с приведенным модулем упрочнения El и высотой 0,015 l , элемент AB – не упрочненный участок с модулем упругости E2, и высотой l (высота 0,015 l соответствует рекомендуемой в литературе минимальной толщине покрытия или максимальной глубине упрочнённого слоя, соответствующей 0,3мм).
Диаграмма растяжения – сжатия стержня схематизируется двумя прямыми (рисунок 11), описываемыми уравнениями

(1) σ = E * ε при σ ≤ σТ σ - σТ =Д (ε - εТ) при σ ≥ σТ где Д – угловой коэффициент прямых по рисунку 9 (обычно Д Рисунок 9 - Диаграмма деформирования для линейно-упрочняющегося стержня разнородной упругости На первом этапе нагружения, когда материал детали следует закону Гука, реакции Nab и Nac в нижним и верхним участках определяются раскрытием статической неопределенности: ∑Y=0, Nab + Nac = P (2) Перемещение сечения А относительно сечения С и сечения В равны по абсолютной величине, так как сечение А расположено на границе АС и АВ , то есть │ ∆AB │=│ ∆AC │ (3) Физическая часть решения (3) состоит в следующем С учетом последнего находим, что
(4) При увеличении внешней нагрузки Р пластические деформации начинаются нижней части стержня. Нагрузка Р=РТ , при которой начинаются пластически деформации .находится из выражения для внутреннего усилия в нижней чаcти стержня
(5)
NAС F Напряжения в верхней части стержня при этом будут :
(6) Естественно, что верхняя часть стержня находится в упругой области. Согласно диаграмме для идеального упругопластического тела нижний участок стержня не может воспринимать большей нагрузки, чем NAB=σT·F
NAB=σT·F
NAС=σT·F Поэтому при дальнейшем увеличении внешней нагрузки Р возрастает нагрузка, воспринимаемая верхним участком. В предельном состоянии при Р=РПР усилия, воспринимаемые верхним и нижним участками стержня будут равны :
и (7)
(8) Тогда предельная нагрузка определяется из условия: ∑Y=NAB+NAC-PПР=0; PПР=2 σT·F. Сопоставим значения допускаемых нагрузок при расчете по методу допускаемых напряжений и по предельному состоянию.
PПР
2σT·F По предельному состоянию:
(9) По методу допускаемых напряжений:
(10) Из формул (9) и (10) видно, что при расчете по предельному состоянию выявляются существенные резервы несущей способности конструкции
(11) Выполним разгрузки стержня из предельного состояния. Согласно теореме об упругой разгрузке разгрузка эквивалентна приложению нагрузке противоположного знака и происходит упруго. Решение упругой задачи выполнено выше (4). При разгрузке снимаются усилия

(12)
(13) И в конструкции остаются остаточные усилия на верхнем участке, направленные вверх и равные: И на нижнем участке, направленный вниз и равные:
(14)
σT·F·(0,015E2 –Е1) 0,015 E2+Е1
Nост =
(15) Таким образом, система внутренних остаточных сил уравновешивается, и в стержне «замораживается» остаточное усилие, Начальные остаточные напряжения будут:
(16) Иллюстрации решения задачи о разгрузке стержня разнородной упругости из определенного состояния представлены графически на рисунке 12 Вывод: В теоретической постановке аналитическим методом с позиции энергетики векторного нагружения решена задача определения начальных остаточных напряжений в материале разнородной упругости Рисунок 10 - Иллюстрация решения задачи о разгрузке стержня разнородной упругости из определенного состояния