|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы Создание термоэлектродных сплавов связано в немалой степени с основной задачей улучшения использования топливно-энергетических ресурсов, поставленной перед промышленностью директивными органами и зафиксированной в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года». В немногочисленной литературе по сплавам с особыми физическими свойствами термоэлектродные сплавы занимают незначительный объем: в отечественной, да и в мировой литературе найдется всего лишь несколько книжных публикаций по указанному вопросу. Обычно сплавы для термопар описываются только в соответствующих разделах книг по термометрии, физическим свойствам металлов или монографий, посвященных сплавам каких-либо определенных металлов. Авторы попытались восполнить указанный пробел в предлагаемом справочно.м руководстве по свойствам промышленных сплавов для термопар. В вводных главах руководства даны необходимые общие сведения о термоэлектрических явлениях и механизмах т.э.д.с. в металлах и сплавах. Основное содержание руководства - свойства промышленных термоэлектродных сплавов, изготавливаемых, применяемых и стандартизированных в СССР и странах СЭВ. Наиболее подробно представлены метрологические характеристики: температурные зависимости т. э. д. с. и чувствительности, градуировочные таблицы, сведения о рабочих атмосферах, сроках службы и дрейфе показаний термопар. Важнейшим свойствам термоэлектродных сплавов - однородности и стабильности т. э. д. с. - посвящены специальные главы, в которых наряду с обширным фактическим материалом анализируются металлургические факторы и процессы, влияющие на эти свойства, В заключительных главах рассматривается влияние экстремальных условий эксплуатации термопар: радиации, высокого давления, сильных магнитных и электрических полей, на термоэлектрические характеристики термоэлектродных сплавов, В справочном руководстве обобщены литературные данные о свойствах термоэлектродпых сплавов, опубликованные по 1980 г. включительно. В данную книгу не вошли сведения о неметаллических термоэлектродных материалах, о некоторых сплавах для термопар, имеющих более узкое применение, пленочных термопарах и др. и в небольшом объеме представлены данные о неметрологических характеристиках сплавов, в частности о механических и физических свойствах. Вне поля зрения остались вопросы технологии производства и ряд особенностей эксплуатации термоэлектродных сплавов. ВВЕДЕНИЕ Температура - один пз важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Известно, что около 40 % всех измерений в промышленности п научных исследованиях составляют измерения температуры. Не менее 60 "/о всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических термометров или, как их часто называют, термопар. 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 локальной температуры. К числу достоинств термопар относятся также широкий диапазон измеряемых температур, малая инерционность, возможность измерения температуры поверхности, температуры быстротекущих процессов, малых разностей температур и т. п. Термопары могут обеспечивать высокую точность (в некоторых случаях до 0,01 К) и высокую чувствительность (до 80-100 мкВ/К). Все осиовные параметры термоэлектрических термометров определяются свойствами чувствительных элементов, которые в свою очередь определяются свойствами термоэлектродиых сплавов, из которых они изготовлены. Одной из основных характеристик термоэлектродных сплавов является стабильность этих свойств при эксплуатации термопар при высоких и низких температурах в различных средах и при различных внешних воздействиях; механических, электрических и др. Очень большое значение имеют технологичность, а также однородность и воспроизводимость термодинамических свойств в условиях промышленного производства термоэлектродиых сплавов и изготовлеипя из них термопар. В качестве термоэлектродных материалов применяют самые разнообразные цветные, благородные и тугоплавкие металлы и сплавы. Широкое использование переходных металлов и сплавов на их основе обусловлено сравнительно высокой т. э. д. с. В области криогенных температур в последнее время используются сплавы непереходных металлов с ферромагнитными легирующими элементами, также развивающие большую т. э. д. с. Большое число зачастую противоречивых требований к термоэлектродным сплавам весьма усложняет создание необходимых материалов. В ряде случаев условия эксплуатации термопар или требования гарантированной точности измерений вынуждают использовать, например, сплавы с невысокой чувствительностью, но работоспособные в определенных температурных и иных условиях с приемлемой стабильностью. В будущем разработка новых термоэлектродных сплавов, вероятно, окажется целесообразной лишь в отдельных специальных случаях, например для работы в каких-либо экстремальных условиях, в которых известные сплавы применимы быть не могут. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР 1.1 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Термоэлектрическими называются явления, обусловленные связью между тепловыми и электрическими токами. К настоящему времени сформулированы микроскопическая (или кинетическая) теория термоэлектричества, связывающая наблюдаемые термоэлектрические свойства с характеристиками энергетических спектров и процессов рассеяния носителей тока в твердых телах, и термодинамическая теория, объясняющая макроскопические закономерности термоэлектрических явлений и связь между различными термоэлектрическими эффектами. В тер.модинамической теории используются линейные соотношения между «потоками» и обобщенными «силами», вызывающими эти потоки. Частными случаями таких соотношений являются закон Ома, устанавливающий пропорциональность между электрическим током (потоком) в изотермическом проводнике и электрическим полем (градиентом электрического потенциала), и закон Фурье, устанавливающий пропорциональность между тепловым потоком в отсутствие электрического тока и градиентом температуры. Коэффициентами пропорциональности в этих законах являются соответственно изотермическая проводимость и коэффициент теплопроводности в отсутствие электрического тока. В более общем случае, когда в проводнике одновременно присутствуют градиенты температуры vr и электрического потенциала VV (обобщенные силы), возникают оба потока - заряда / и тепла Q, линейные соотношения между силами и потоками приобретают вид: I = hiy + LnVT\ (1.1) Q = L2ivV-i-L22V7. (1.2) где L - коэффициенты. Соотношения (1.1) и (1.2) позволяют в принципе предсказать существование трех термоэлектрических эффектов: Зеебека, Пельтье и Томсона, установленных экспериментально. Эффект Зеебека. В замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлических проводников Л и S (рис. 1.1, а), температура соединений 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 различны 1 Согласно соотношению (1.1) в однородном проводнике в отсутствие электрического тока возникает электрическое поле или градиент потенциала VV=- rVT, а на концах этого проводника разность потенциалов AV (т. э. д. с); ДУ = - уТ (х) dx = -\ ks/T{x)dx, (1.3) где k=L,2JLn в общем случае - функция температуры; дс -координата по длине проводника. называется термоэлектродвижущей силой или сокращенно т. э. д. с. (интегральной т.э.д.с.) пары АВ и обозначается Еаб (рис. 1.1,6). Эта цепь называется термоэлементом или (в термометрии) термопарой. Для бесконечно малой разности температур спаев dT т. э. д. с. dEAB = eABdT, где елв - дифференциальная т.э.д.с. пары АВ*.   /( измеритемнам приЛру Рис. 1.1. Термоэлектрические цепи и законы термоэлектричества: а - термоэлектрический ток / в замкнутом контуре и термоэлектрическая разность потенциалов V в разомкнутом контуре; б - к закону однородной цепн х,х,.~ АВ в -к закону промежуточных металлов V tT Т\---------- .......Ji-v., ouxvvynj х,х2~" АВ ~ закону промежуточных металлов 2 (Л, г -схема измерения температуры термопарой Эффект Пельтье. Если через область контакта двух разнородных проводников течет электрический ток /, то в этой области выделяется или поглощается в единицу времени некоторое количество тепла Qn определяемое выражением: (1.4) где П - коэффициент Пельтье. В отличие от джоулева тепла, пропорционального квадрату силы тока и всегда выделяющегося в проводнике, теплота Пельтье носит обратимый характер, т. е. может выделяться или поглощаться в зависимости от направления тока. Эффект Томсона представляет собой поглощение или выделение тепла в однородном проводнике, в котором течет ток / и * Величину Вав (скорость изменения Еав в зависимости от температуры) называют также температурным коэффициентом т. э. д. с, коэффициентом Зеебека, чувствительностью или дифференциальной т. э. д. с. термопары. вдоль которого существует градиент температуры VT. Теплота Томсона (в единицу времени) определяется выражением: (1.5) где 0 - коэффициент Томсона. В замкнутой цепи, по которой протекает электрический ток, при наличии градиента температуры возникают все три термоэлектрических эффекта, связь между которыми определяется соотношениями Кельвина: a = TdSldT\ n = rS, (1.6) где S - абсолютная дифференциальная т. э. д. с. В связи с тем что температуру термопарами обычно измеряют в отсутствие тока, основным эффектом, существенным для понимания работы термопар, является эффект Зеебека, два других эффекта в данном случае значения ие имеют. Многочисленные экспериментальные исследования свойств термоэлектрических цепей позволили сформулировать следующие три эмпирических закона. Закон однородной цепи (закон Магнуса). В замкнутой цепи, состоящей из однородного проводника, электрический ток не может поддерживаться за счет перепадов температуры: ЛлГг. 7i) = 0. (1.7) Следствием этого закона является тот факт, что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, спаи между которыми поддерживаются при двух различных температурах Г, и Тг, т.э.д.с не зависит от распределения температуры вдоль проводников, а лишь от температур спаев (см. рис. 1.1,6). Закон промежуточных металлов. Основная формулировка этого закона: алгебраическая сумма т. э. д. с. в цепи, состоящей из любого числа различных металлов, равна нулю, если вся цепь находится при одной температуре: лсГх. Т,) = Е{Т, Г) + £всГ1. Т,) = 0, (1.8) В этой формулировке закон аналогичен второму началу термодинамики, так как наличие не равной нулю т.э.д.с. привело бы к появлению тока, что в свою очередь вызвало бы охлаждение одних частей цепи и нагрев других. Это означало бы, что должен происходить перенос тепла от участков с более низкой температурой к участкам с более высокой температурой в отсутствие внешнего источника энергии, что противоречит второму началу термодинамики. Из закона следует, что при введении в контур, содержащий два разнородных проводника Л и В с температурами спаев Ti и Гг, третьего проводника С, находящегося при одинаковой по всей его длине температуре Гз, т.э.д.с. £ab(7"i, Ti) не меняется (рис. 1.1, в). Эквивалентная формулировка закона промежуточных металлов: т. э. д. с, возникающая в цепи из двух различных проводников АВ, равна алгебраической сумме т. 9. д. с. цепей, образованных третьим проводником С и проводниками А и В: (1.9) [ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 Пункты приема цветных металлов цены высокие, uA95 приезжайте ждём вас. |