Введение
Чем выше температура среды, с которой взаимодействует термопара, тем сильнее проявляется феномен термоэлектрической неоднородности. Чтобы глубже понять истоки этого явления, необходимо обратиться к теории. Работа каждой термопары основывается на эффекте Зеебека, который описал, как в двух проводниках, выполненных из металлов и их сплавов различного состава, при воздействии на них тепла возникает электрический ток.Оказалось, что если нагревать место спайки таких соединенных последовательно в цепь проводников до определенных температур, то возникнет разность потенциалов и начнётся упорядоченное движение электронов. Диффузия электронов вызывается возникновением электродвижущей силы, обусловленным отклонением от равновесия системы под воздействием градиента температур.
Данная ЭДС получила название термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), каждый проводник стал называться термоэлектрод, а их комбинация – термопара. Такие термопары стали эффективным, а зачастую и необходимым, средством измерения температур. Опытным путём были подобраны сочетания термоэлектродов, которые могли применяться в различных средах при научных экспериментах, в технологических процессах различных предприятий, в бытовых приборах и технике.
Любое измерение сопровождается определённой погрешностью, а при значительных температурах расхождения достигали нескольких единиц, а то и десятков градусов. Это и стало предметом пристального внимания экспериментаторов, которые определили, что главным препятствием к точности работы термопары является её термоэлектрическая неоднородность (ТЭН).
Исследователи определили несколько основных причин возникновения ТЭН:
- Пластическая деформация, связанная с механическими и термическими воздействиями, внутренними напряжениями металлов;
- Несоблюдение технологических процессов при получении материала термоэлектрода;
- Процессы окисления, обмена, замещения и другие факторы химического воздействия;
- Рост зернистости, когда термоэлектрод подвергается процессу рекристаллизации;
- Влияние электрических полей, как внутри системы, так и внешнего их воздействия;
- Воздействие излучений различной природы, включая радиоактивное.
Пути минимизация явления неоднородности термопар
Для большей эффективности и продолжительности работы термопары необходима минимизация явления неоднородности:- Во-первых, необходимо соблюдать чистоту и точность технологических процессов при изготовлении материала каждого термоэлектрода, что затрудняется использованием в качестве большинства проводников сплавов различных элементов (копель, хромель, алюмель), а не чистых металлов.
- Во-вторых, термопара, работающая в агрессивных средах с повышенными температурами должна подвергаться периодическим поверкам, как в начале эксплуатации, так и по истечении определенного срока ее работы.
- Для сброса внутренних напряжений термоэлектрод может быть подвергнут процессам отжига. Причем, в некоторых случаях первичный отжиг происходит при температуре близкой к критическому нагреванию для сплава, а вторичный не должен превышать предельных значений среды, в которую термопара будет помещаться для измерений.
- Для проверки состояния термопары и ее способности противостоять явлению неоднородности используются термоудары, когда термоэлектроды нагреваются с повышенной скоростью в заданном диапазоне температур. Также применяется процесс калибровки, исследующий поведения термопары при погружении в различные среды (например, в кремний-органическую жидкость). Составляются графики изменений, что в сочетании с измерениями эталонным термометром позволяет определить пригодность термопары к дальнейшей эксплуатации.
Другие факторы, влияющие на погрешность измерения
Погрешности измерения температур могут быть связаны и с побочными факторами, не связанными с ТЭН или связанными с ней косвенно, это:- Непостоянство температуры среды, окружающей объект, в котором измеряются термические изменения.
- Низкое качество изолирующего материала системы, в которую помещена термопара.
- Плохой контакт термопары с поверхностью, на которую она крепится и окисление или ненадёжность электрического контакта с прибором, фиксирующим значения температуры.
- Повышенная конвекция в окружающей среде и замкнутой системе, в которой измеряется температура.
Термопара копель-хромель (ТХК) и её ТЭН
Для более иллюстративного представления о ТЭН рассмотрим конкретные термопары. Термопара копель-хромель получается при спайке сплава меди (copper) и никеля и сплава хрома и никеля. Представлена марками МНМц 43-0,5 и НХ 9,5. В лингвистике такой метод словообразования, когда начальные буквы одного слова объединяются с конечными буквами другого, называются методом телескопа (telescoping). В состав этих сплавов входят и другие элементы, что обуславливает приобретение ТЭН при несоблюдении карт технологического процесса их получения. Если сплавы имеют достаточное качество, то и термопары работают эффективно. Другой фактор ТЭН – термопара этого типа может быть подвергнута пластической деформации, поэтому рекомендуется область их применения ограничить диапазоном температур от -200°С до 600°С. Что приемлемо для контроля температур в печах при выплавке таких металлов, как олово, цинк и т.п. Теоретически эти термопары способны работать в средах с температурным режимом до 800°С.
Рисунок 1. Термопара копель-хромель, выведена из строя в процессе окисления.
Термопара хромель-алюмель (ТХА)
Хром + никель и алюминий + никель. Хотя температура плавления алюминия не так высока, в сочетании с никелем термоэлектрод, полученный из сплава этих элементов, обладает необходимыми электротехническими свойствами.Рекомендуемый диапазон температур для такой термопары находится в пределах от -200 до 1000°С (теоретически до 1500). Значимые факторы приобретения ТЭН здесь такие же, что и у вышеупомянутого устройства:
- несоблюдение технологии производства;
- внутренние напряжения в сочетании с пластической деформацией.
Данный вид термопар представлен марками сплавов НХ 9,5 и НМцАК 2-2-1.
Рисунок 1. Термопара хромель-алюмель, выведена из строя в процессе термических и механических воздействий.
Термопара медь-копель (ТМК)
Термопара этого типа имеет в своем составе один термоэлектрод, выполненный из электротехнической меди. Второй термоэлектрод изготовлен из сплава копель. Сплавы, применяемые для изготовления электродов - МНМц 43-0,5.Достоинствами такой термопары считаются относительно невысокая себестоимость производства и незначительная для падения качества измерений ТЭН в диапазоне температур от -200 до 200°С. А хорошими рабочими условиями для нее считаются температуры до 100°С.
