Стартовая >> Книги >> Учеба >> Очерки развития термоэлектричества

Технические возможности термопар - Очерки развития термоэлектричества

Оглавление
Очерки развития термоэлектричества
Открытие основных термоэлектрических эффектов
Основные направления термоэлектричества
Связь термоэлектричества с другими научно-техническими направлениями
Феноменологическая теория
Гальванотермомагнитные эффекты
Современное состояние теории термоэлектрических явлений
Микроскопическая теория термоэлектрических явлений
История развития термоэлектрического материаловедения
Современное состояние термоэлектрического материаловедения
История термоэлектрической энергетики
Современное состояние термоэлектрической энергетики
Солнечные термогенераторы
Радиоизотопные термогенераторы
Термогенераторы с другими источниками тепла
История развития термоэлектрического охлаждения
Современное состояние термоэлектрического охлаждения
История развития термоэлектрической термометрии
Области применения термопар
Технические возможности термопар
Влияние внешних магнитных полей
Термоэлектрическая нестабильность термопар
Низкотемпературные термопары
Среднетемпературные измерения
Инерционность термопар, микротермопары
Тонкопленочные термопары
История развития термоэлектрических приемников излучения
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития электроизмерительных преобразователей
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития термоэлектрической микрокалориметрии
Современное состояние микрокалориметрии
Термоэлектрическая теплометрия
Термоэлектромеханические преобразователи
Другие термоэлектрические приборы
Список сокращенных названий институтов, литературы

Современное развитие термоэлектрической термометрии
Технические возможности термопар. Термоэлектрические преобразователи по своим характеристикам удовлетворяют многим требованиям, предъявляемым к преобразователям для измерения температур. Широкий выбор современных материалов для термоэлектродов позволяет измерять температуры от 2 до 3000 К, обеспечивает высокую точность (до 0,01 К) и чувствительность преобразования (до 100 мкВ · К-1). Термоэлектрические преобразователи являются эффективными приборами для измерения разностей температур, которые в отдельных случаях могут составлять 10-7 К, их можно использовать для измерения температур малых объемов (до 10—3 мм3). Термопары хорошо совместимы с высокоточными электроизмерительными приборами, а также самопишущими установками, позволяющими вести автоматическую регистрацию. Обширные теоретические и экспериментальные сведения о термопарах приведены в монографиях О. А. Геращенко и В. Г. Федорова «Тепловые температурные измерения» (1965 г.), А. Н. Гордова «Основы пирометрии» (1971 г.), И. Л. Рогельберга и В. М. Бейлина «Сплавы для термопар» (1983 г.), Р. В. Бочковского «Контактные датчики температуры» (1978 г.) в справочнике «Температурные измерения» (1984 г.) [11, 18, 19, 22, 64].
Неоднородность термоэлектрических материалов. Большую погрешность в измерения температур посредством термопар могут вносить разного рода неоднородности термоэлектрических материалов: наличие примесей, структурные дефекты, непостоянство химического состава по объему термоэлектрода и пр. [221.
Влияние термоэлектрической неоднородности на работу термопар рассматривалось, в частности, в работах Η. Н. Эргардт (1961 г.), Д. Ф. Тартаковского (1969 г.), А. М. Сироты (1972 г.), В. М. Бейлина (1976 г.). Η. Н. Эргардт разработала способ определения паразитной термо-ЭДС, вызванной неоднородностью термопар [95]. Д. Ф. Тартаковский провел расчет погрешности термопар, обусловленной термоэлектрической неоднородностью [83]. Позднее Д. Ф. Тартаковский совместно с А. Г. Ивановой и И. В. Шокиной изучал возможность применения вероятностно-статистических методов к исследованию такого рода погрешности термопар. Оказалось, что знание спектрального состава может упростить оценку погрешности измерений [33]. В. М. Бейлин провел теоретический анализ влияния температурной зависимости термоэлектрической неоднородности на градуировочную характеристику термопар [6]. А. М. Сирота и А. Я. Гришков вывели формулу термо-ЭДС с учетом неоднородности каждого электрода. Они дали краткий анализ для случаев протяженных и единичных неоднородностей, что позволило разработать рекомендации по уменьшению влияния неоднородностей на показания термопар [23].
Обширные исследования этого вопроса проведены в Свердловском филиале ВНИИМ им. Д. И. Менделеева под руководством Б. К. Брагина. В его исследованиях была сделана первая попытка сравнительной оценки термоэлектрической однородности проволок отечественного производства из хромеля, копеля, алюмеля и меди при температуре, близкой к 200 °С. Результаты анализа свидетельствовали о том, что для низкотемпературных термопар повышенной точности и надежности наиболее подходящим материалом является медь и копель [15]. Б. К. Брагин и Б. П. Павлов па основе обобщения экспериментальных и теоретических работ многих исследований рассмотрели вопрос о количественной оценке и технически обоснованном нормировании термоэлектрической неоднородности по длине стандартных проволок, выпускаемых в настоящее время [13]. Они также исследовали влияние термоэлектрической неоднородности электрода дифференциальной термопары на ее показания и пришли к выводу, что для обеспечения достаточной точности термопар при измерениях малых разностей температуры необходимо их индивидуальное градуирование и тщательный отбор термоэлектрических материалов по неоднородности [14]. Б. П. Павлов детально разработал вопрос о максимальной информационной способности контактного термоприемника. Формулы, полученные Павловым, легли в основу вычисления информационного КПД реальных термоэлектрических термометров [58].
Методы определения неоднородности термопарных электродов разработаны И. И. Киренковым в 1958 г. В 1975 г. он рассмотрел вопросы термоэлектрической неоднородности, главным образом связанные с износом термопар при их эксплуатации [38, 39].
В Японии в 60-х годах создан метод расчета термо-ЭДС неоднородной термопары на основе преобразований Фурье. Эта теория была проверена на платинородий платиновой термопаре, причем погрешность расчетных данных, как отмечали Н. Такай и С. Хатанака, составляет около 0,5 мкВ 181].
В 1969 г. американский исследователь А. Фентон сообщил о результатах исследования различных термоэлектродных материалов применяемых для изготовления промышленных термопар. Теоретический анализ позволил вывести соотношения для определения изменения характеристики термопары после ее эксплуатации в течение некоторого времени при определенных условиях [106].
Искажения, вносимые термопарами в температурное поле измеряемого объекта. В процессе измерения температуры термопарой между спаем термопары и поверхностью образца возникает тепловой поток, который при температуре выше комнатной направлен от образца к термопаре. Это вносит существенную погрешность в результаты измерений. Для уменьшения погрешности предлагалось несколько методов. В частности, И. Сасаки для определения температуры поверхности образца разработал термопару, окруженную дополнительным нагревателем. Контроль нагрева осуществлялся следующим образом: термопару отводят от поверхности, а ток нагревателя изменяют до тех пор, пока отрыв термопары но перестанет изменять термо-ЭДС. Существенный недостаток этого метода заключался в непрерывном перемещении термопары во время измерений. В методе советского исследователя О. В. Емельяненко использовались две термопары, окруженные нагревателем. Спай одной термопары касается поверхности образца, спай другой отделен от поверхности образца тонким зазором и предназначен для контроля, теплоотдачи образца и регулировки температуры нагревателя до исчезновения этой теплоотдачи. Дж. Стамплер предлагает использовать термопару с дифференциальным датчиком, однако этот метод имеет ограниченное применение, так как в ряде случаев (особенно при изучении гальваномагнитных эффектов) спай шунтирует часть образца, что снижает точность измерений. В 1964 г. Ю. А. Видади разработал термопару с компенсационным подогревом, которая обеспечила высокую точность измерения поверхностных температур. Конструкция термопары схематично показана на рис. 6.7. В ней два спая (измерительный и контрольный) соединялись отрезком константановой проволоки, служащей одновременно датчиком.

Рис. 6.7. Трехпроводная термопара с компенсационным подогревом [16]:
1,2 — медный провод; 3 — константановый провод; 4 — печка; 5 — контрольный спай; 6 — константановый датчик; 7 — образец; 8 — измерительный спай.

В измерительный спай вплавлялась медная проволока, в контрольный — медная и константановая проволоки.

При наличии потока тепла через контакт образец — измерительный спай температура контрольного спая отличается от температуры измерительного спая, и между медными проводами возникает термо-ЭДС, которая сводится к нулю подбором мощности подогрева. Температура поверхности образца определяется по термо-ЭДС между медным и константиновым проводами [16].

Теоретическому анализу погрешности измерения температур на поверхности твердого тела посвящены работы Б. И. Макарова (1964 г.), Чен Чинг Джена и Ли Петера (1974 г.) [53, 110].

Результаты исследования погрешности измерений, появляющейся вследствие неравномерности нагрева спаев термопар, представлены в 1971 г. Г. Е. Лондоном (Ленинградский университет). Эти исследования показали, что влиянием внутренних электрических процессов (эффектов Пельтье, Томсона и Джоуля—Ленца) на температуру спая практически можно пренебречь [51].



 
« Оперативное управление в энергосистемах   Проектирование силового электрооборудования »
электрические сети