ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Термоэлектрические явления. Термопары из "Температурные измерения " Действие ПТ основано на эффекте Зеебека — одном из 12 термоэлектрических явлений, известных в современной физике твердого тела. В упрощенном и достаточно строгом представлении ограничиваются следующими тремя термоэлектрическими явлениями. [c.206] Эффект Зеебека (1826 г.) — в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных различных проводников, возникает термоЭДС, если в местах контактов поддерживается различная температура. В простейшем случае, когда такая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термопарой (составная часть ПТ), ТермоЭДС термопары зависит от температуры рабочего (измерительного) и свободного (опорного) спая и от состава материала проводников, образующих термопару. [c.206] В небольшом диапазоне температур термоЭДС можно считать, с достаточной для практических целей точностью, пропорциональной разности температур и коэффициенту термоЭДС (более точно а — функция разности температур спаев) а = АЕ/АТ. Коэффициент термоЭДС зависит, в первую очередь, от материала термоэлектродов, а также от диапазона температур, в котором используется термопара в некоторых случаях с изменением температуры а изменяет знак. [c.206] В основных представлениях удобно пользоваться абсолютным удельным коэффициентом термоЭДС данного проводника, который мож ю определить, если данный проводник в паре с абсолютным термоэлек-тродом, не обладающим термоэлектрическим эффектом. Таким абсолютным термоэлектродом может быть любой сверхпроводник. Температурный диапазон существования сверхпроводников узок по сравнению с диапазоном температур, в котором примененпе ПТ эффекта-вно. Поэтому абсолютные удельные коэффициенты термоЭДС определяют косвенно, по измеренной теплоте Пельтье или Томсона. [c.206] Обратимое выделение или поглощение теплоты Пельтье зависит только от свойств каждого проводника термопары, т.е. от абсолютных коэффициентов Пельтье каждого из проводников. В температурных измерениях это явление может играть существенную роль только при достаточно больших удельных плотностях электрических токов в измерительных цепях. [c.207] Эффект. Томсона (установленный экспериментально Леру в 1867 г.) — если вдоль проводника, по которому протекает электрический ток, существует градиент температуры, то в дополнение к теплоте Джоуля в объеме проводника выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) количество теплоты (теплота Томсона), пропорциональное силе тока, времени, градиенту температуры и коэффициенту Томсона (зависящему от природы материала проводника) = aJ Т1. [c.207] Применив к трем указанным термоэлектрическим явлениям первое и второе начало термодинамики, Томсон (1856 г.) вывел следующие соотношения о Та а/йТ, л = Та. [c.207] Технические возможности ПТ. Термоэлектрические преобразователи удовлетворяют многим требованиям идеального преобразователя. Они просты, надежны в работе и состоят, по существу, из двух термоэлектродов. Их конструктивные формы позволяют обеспечивать малый показатель тепловой инерции. Выбирая соответствующие материалы термоэлектродов, можно проводить измерения те.мператур вши-роком диапазоне (от 2 до 3000 К). При этом достигается высокая точность преобразования (инструментальная погрешность до 0,01 К) и высокая чувствительность (до 100 мкВ/ К). ПТ представляют собой идеальные приборы для из.мерения разностей температур, величины которых в отдельных случаях могут доходить до 10 К. Если материалы термоэлектродов однородны, изотропны и не претерпевают фи-.чических или химических изменений, то зависимость термоЭДС ПТ от температуры хорошо воспроизводима, В связи с этим преобразователи, термопары которых изготовлены из одной и той же партии тер-моэлектродов, могут быть полностью взаимозаменяемы. [c.208] Основные правила обращения с термоэлектрическими цепями. [c.208] Правило Магнуса. ТермоЭДС, возникающая в замкнутой цепи, которая образована парой однородных, изотропных проводников, зависит только от температуры спаев и не зависит от распределения температуры по длине проводников. [c.208] Из последних двух правил следует общее правило конструирования термоэлектрических измерительных цепей неоднородность проводника допустима только в изотермической области и, наоборот, неизо-термичность допустима только в однородном проводнике. Недопустимо сочетание неоднородности и неизотермичности. Поэтому при введении в цепь термопары прибора для измерения термоЭДС необходимо обеспечить его изотермичность. [c.209] Примеси и неоднородность термоэлектродных материалов (термоэлектрическая неоднородность). Каждый идеально чистый проводник имеет собственную термоЭДС. Наличие в проводнике даже минимального количества примесей заметно влияет на ее значение. Таким образом, наличие примесей неизбежно приводит к невоспроизводимости результатов измерений. [c.209] Помимо примесей проводники обычно имеют структурные дефекты (точечные дефекты, границы зерен, дислокации). Если примеси и дефекты распределены в термоэлектроде неравномерно, то они практически образуют внутри термоэлектрода диполи. При наличии градиента температуры они влияют на значение термоЭДС, любые последующие изменения распределения температуры в этой области могут привести к расхождениям показаний. [c.209] Химические неоднородности характеризуются непостоянством химического состава по объему термоэлектрода. Они могут возникнуть в термоэлектроде в результате реакций выделения новых фаз или избирательного испарения компонентов сплава. Кроме того, они могут вызываться взаимодействием с окружающей средой. Физические неоднородности характеризуются непостоянством фазового состава, нарушением упорядоченности, изменением структуры зерен по объему термоэлектрода и колебаниями концентрации дефектов кристаллической решетки. [c.209] Естественно, что все процессы внутренних изменений в термоэлектроде (распад твердых растворов, коагуляция примесей, образование новых фаз, межграничная диффузия) сопровождаются термоструктурными напряжениями, что приводит к изменению термоЭДС. [c.209] Методы измерения термоэлектрической неоднородности проволок разделяют на контактные и бесконтактные. Контактные — метод скрутки, скользящего контакта, пружинного контакта и захвата, бесконтактные — метод точечной печи, асимметричного нагревателя, двух сред, магнитный и термографический. Методы скрутки и скользящего контакта не применяют из-за большой неопределенности результатов измерении эти методы имеют лишь исторический интерес. [c.209] Метод захвата используют в заводской практике для контроля неоднородности платиновых и платинородиевых проволок. На участки испытуемой проволоки накладывают через каждые 2—б м температурное поле специальной трубчатой печи, имеющей отверстие в кожухе, которое позволяет опускать на испытуемую проволоку перпендикулярно ее поверхности образец сравнения, представляющий собой отрезок проволоки из того же материала, что и испытуемая, с концом, загнутым в виде крючка. Этим крючком захватывают испытуемую проволоку и подтягивают ее вверх, создавая тем самым хороший тепловой и электрический контакт между участком проволоки, находящимся в печи, и образцом сравнения. Этот метод применим лишь для проволок с неокисленной поверхностью. При подтягивании проволоки на ее сгибаемом участке создается дополнительная неоднородность, что искажает результаты измерений. Кроме того, изменяется термоэлектрическая характеристика образца сравнения, находящегося в печи при температуре испытаний свыше 800 °С. [c.212] В методе точечной печи на участки проволоки, движущейся с постоянной скоростью, накладывается температурное поле трубчатой печи малой длины в форме равнобедренного треугольника. ТермоЭДС неоднородности в этом методе представляет собой разность термоЭДС неоднородности участка проволоки, находящегося в поле положительного градиента температуры и термоЭДС неоднородности участка проволоки, находящегося в поле отрицательного градиента температуры, т.е. в каждый момент измерений на концах испытуемой проволоки возникает термоЭДС, характеризующая различие неоднородностей двух близлежащих участков по длине проволоки. Хотя данным методом можно испытывать проволоки с различной степенью окисленно-сти поверхности, точность метода мала из-за отсутствия постоянного образца сравнения по неоднородности. [c.213] В методе. двух сред используется установка, реализующая две среды (жидкий азот — воздух) без применения контактных систем. В этом удачном решении съема сигнала термоЭДС неоднородности механизм передвижения испытуемой проволоки выполнен в виде приемного и подающего поводков (рис. 8.2), вращающихся вокруг осей неподвижных катушек. [c.214] Вернуться к основной статье