|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы при измерении ТЭН описывается формулой (8.6), которую можно переписать в виде: (8.7) где /1(л:-)=ф[Г(л:-)]Уг(л:-?) - весовая функция линейной стационарной системы, осуществляющей это преобразование (в данном случае температурного поля, перемешающегося вдоль проволоки), от которой зависит вид преобразованной функции и которая определяется в основном формой температурного поля. Частотная характеристика системы, представляющая собой Фурье-преобразование ее весовой функции (8.8) Я(1И)= \ h(x)edx. определяет связь между спектральными характеристиками НДТ и НИТ (частотную полосу пропускания системы): (8.9) где gE((o) и gs((u)-спектральные плотности (спектры) неоднородности интегральной и дифференциальной т.э.д.с. соответственно. Последние являются Фурье-  Рис. 8.4. Формы температурного поля и частотные функции для метода двух сред [402]: а - идеальный случай; б - обе среды газообразные, например воздух-атмосфера печи; в - одна среда жидкая, другая - газообразная, например воздух - жидкий азот преобразованиями соответствующих корреляционных функций: Кх), НДТ и НИТ: g((o) =- KE(T)cos{m) dl, ""о (8.10) где L - длина реализации случайной функции (в данном случае длина проволоки). Аналогично определяется и gs(o)); можно с помощью обратного Фурье-преобразования определить К{х), откуда легко найти дисперсию случайной функции а2=/С(0). Формы температурного поля и частотные функции для метода двух сред для случая, когда 5(S, Г)=5(), представлены на рис. 8.4. Видно, что метод характеризуется очень широкой «полосой пропускания», т. е. в широком диапазоне частот (ia) =const. Если принять, что ширина переходной зоны составляет 10 см, длина исследуемой проволоки L=100 м, а температура 7=200 К, то можно найти, что для первых 300 частот пЗОО (т. е. для неоднородностей с периодом от 100 м до 100/300=30 см) искажения амплитуд не превысят 1 %. Это означает, что метод двух сред воспроизводит кривые ТЭН практически без искажений. Подобный результат получается и при учете температурной зависимости. Аналогичные расчеты для других бесконтактных методов с двумя переходными зонами пока- IHUcj)! 1-Oj   (j,n  зывают (например, для метода точечного нагрева), что соответствующие частотные характеристики представляют собой кривые с максимумом (рис. 8.5). Таким образом, существование двух переходных зон приводит к весьма сильным искажениям спектров ТЭН. Очень сильные искажения имеют место в наиболее важной с практической точки зрения полосе частот Ои <100 (0<(u„<[jt/L]100), в которой составляющие неоднородность гармоники в значительной степени ослабляются в сравнении с номинальным уровнем (полное пропускание), причем степень ослабления сама сильно зависит от частоты. Таким образом, методы с двумя переходными зонами не дают правильного представления об истинном спектре ТЭН, а соответствующие оценки погрешности будут неадекватными. В соответствии с изложенным наиболее предпочтительным методом измерения ТЭН является метод двух сред - единственный стандартизованный в настоящее время метод (ГОСТ 22663-77). В качестве оценки ТЭН в этом методе используется величина дисперсии, определяемая по результатам статистической обработки полученной информации, или размах т.э.д.с. на длине исследуемого отрезка. Существующая аппаратура (см., например, [417, 421]) позволяет исследовать отрезки проволоки длиной в несколько сотен метров. По данным, полученным с применением этого метода, в ГОСТ 22666-77 регламентированы величины ТЭН копеля и меди для низкотемпературных термопар. При отсутствии необходимой аппаратуры, а также в случае оценки неоднородности по показаниям совокупности отдельных термоэлектродов (термопар) часто используют метод сравнения (сличения). Как следует из изложенного, полученные данные будут характеризовать неоднородность на расстояниях, превосходящих длину одной термопары (или равных ей). При измерениях желательно, чтобы способ отбора образцов (например, соответствующая разбивка бухты с использованием таблицы случайных чисел) позволял учесть все возможные частоты. Рис. 8.5. Формы температурного поля и частотные функции для метода точечного нагрева [402]; а - Т(х) описывается гауссовой кривой; 6 - Т(х) имеет треугольный внд 8.3.5. ПОГРЕШНОСТЬ ТЕРМОПАР, ВЫЗЫВАЕМАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ Т. Э. Д. С. Значения Оизм, найденные при измерениях ТЭН методами двух сред или сличения, могут служить адекватными характеристиками ногрешиости термопар в реальных условиях экснлуатации 0»кслп лишь нрн совнадении температурных полей при измерении ТЭН и при работе термопар. При невозможности выполнения этого условия необходимо, чтобы значения ширины зоны градиента температур в процессе измерения ТЭН Лизм и эксплуатации термопары Л»копл и наименьший измеренный период в спектре ТЭН Lmin удовлетворяли следующему неравенству: /гизм/г»копл<£т1п. Нарушение левой части этого неравенства приведет к заниженной оценке погрешности от неоднородности за счет появления вклада более высоких частот, не выявленных при измерении ТЭН. Нарушение правой части неравенства приведет к завышенной оценке за счет подавления вклада наиболее высоких частот. Указанные неравенства имеют смысл в случае, когда сам процесс измерения ТЭН не влияет на характеристику проволоки. Для использования результатов измерения ТЭН с целью оценки соответствующей погрешности термопар необходимо, чтобы измерения ТЭН производились в области рабочих температур термопары. В этом случае обусловленную неоднородностью погрешность термопар или среднеквадратическое отклонение т. э. д. с. Опогр можно оценить но измеренной неоднородности 0изм из простого соотношения (при условии независимости НДТ от температуры): Опогр = «изм (ДТэкспл/ДГизм). (8.11) где ДГизм и ДГакспл - перепады температур при измерении ТЭН и при эксплуатации термопары соответственно (второе неравенство редко реализуется на практике). При наличии периодов ТЭН, соизмеримых с Лэкопл или даже меньших, для иснользования формулы (8.11) дополнительно необходимо соблюдение равенства Аизм» лгЛэкспл и линейное раснределеиие температуры в обеих переходных зонах. При невозможности выполнения указаных условий для оценки погрешности необходимо знание температурной зависимости НДТ, истинной формы температурных полей и спектра измеренной НИТ, (и). В этом случае в соответствии с формулой (8.9) спектральная плотность НИТ, gg""" [и) в температурном поле, соответствующем условиям эксплуатации термоэлектродной проволоки. V"" может быть выражена через g" найденную при измерениях ТЭН: (8.12) Найдя gE"(a), можно определить Kf™ (т) с помощью обратного Фурье-преобразования, откуда сразу определяется СТпогр =/С»»""" (0). Трудности получения необходимой для расчета Опогр (по приведенной схеме) информации для реальных термоэлектродных нро- волок до настоящего времени сдерживают внедрение аналогичных расчетных методов, см. также [398, 403]. По этой причине методы статистического анализа ТЭН используются пока лишь для контроля качества термоэлектродной проволоки; в оценках же погрешностей термопар все еще преобладают традиционные методы выборочной статистики без учета реальных температурных полей и спектров ТЭН, что не позволяет исключить погрешность за счет неоднородности даже при условии индивидуальной градуировки термопар. Влияние ТЭН на показания дифференциальной термонары рассмотрено в работе [431]. 8.4. ПРИЧИНЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОВОЛОКИ, ТЕРМОЭЛЕКТРОДОВ И ТЕРМОПАР Оновные причины ТЭН сведены в табл. 8.1*. Действие их связано с указанными в таблице источниками ТЭН. Среди неречислеиных причин наибольшее влияние на ТЭН термоэлектродиых сплавов (проволок и термоэлектродов) оказывают те, которые связаны с воздействием на материал высокой температуры и вызывают неоднородные изменения состава и строения. Систематических исследований влияния всех перечисленных факторов на ТЭН промышленных электродных сплавов опубликовано не было. Результаты единственного исследования влияния некоторых технологических факторов на ТЭН хромеля, алюмеля и коиеля [41, с. 72-91] и отдельные сведения из других работ приведены ниже. ТЭН термопар, бывших в экснлуатации, исследована еще меньше, чем ТЭН термоэлектродов в исходном (до эксплуатации) состоянии, но проявление этой неоднородности - нестабильность т. э. д. с, в том числе нестабильность т. э. д. с, вызванная облучением, внешним давлением и действием электромагнитного поля, изучено значительно полнее и подробно обсуждается в гл. 9-12. Спектр ТЭН определяется природой термоэлектродных сплавов (химическим составом), технологией производства сплавов, проволоки, термоэлектродов и термопар, характером и режимом эксплуатации. Чистые металлы, используемые в качестве термоэлектродных материалов (например, медь, платина, вольфрам, молибден), обычно более однородны, чем сплавы на основе этих металлов (см. 8.5). Повышение чистоты металлов сопровождается, как правило, уменьшением ТЭН. В работе [423] показано, например, что ТЭН молибденовой проволоки, изготовленной из монокристаллов, в 7 раз меньше, чем ТЭН проволоки, изготовленной из металлокерамических заготовок. В то же время эксплуатационная неоднородность у термоэлектродов из более чистого молибдена оказывается большей. ТЭН разбавленных твердых растворов практически не зависит от концентрации легирующих элементов. В двухфазных сплавах, например в сплавах системы Си-Fe, ТЭН сильно зависит от концентрации легирующей добавки, повторяя характер зависимости * О влиянии температуры и ее распределения см. 8.1 и табл. 8.5-8.7, а также данные [43, с. 87-95]. Источники неоднородности Внд неоднород. ности Причины иеодиородности технология производства сплавов и термо-электродной проволо. ки § га я о. о x = x Потеря компонентов сплава за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения Поглощение извне элементов при взаимодействии с окружающей средой Ликвация и другие виды неоднородности при кристаллизации сплавов и производстве сплавов порошковыми методами Облучение Пластическая деформация (упрочнение) Упругие напряжения Превращения в твердом состоянии (упорядочение, распад твердого раствора) Отдых, рекристаллизация, рост зерна Неоднородность химического состава То же, неоднородность структуры и физического состояния Неоднородность структуры и физического состояния Источники иеодиородности Вид иеодиородности Причины неоднородности технология производства сплавов и термоэлектродиой проволоки
£q £ § x си г а. Электромагнитное поле Внешнее давление Примечания: I. Знак + означает Действие той или иной причины, знак - отсутствие действия, 2. Градуировку термопар следует рассматривать как ее эксплуатацию. 3. Источником неодиородиостн термоэлектродов прн эксплуатации термопар может быть их взаимодействие (путем диффузии или через газотранспортные реакции), прн котором один электрод обедняется, а другой обогащается каким-либо элементом. Т.Э.Д.С. [424]. В сплавах, претерпевающих превращения в твердом состоянии, например в хромеле (ближнее упорядочение), МЖ н ЗК (распад твердого раствора), обусловленная этими превращениями ТЭН может проявляться очень сильно при соответствующих условиях эксплуатации, а также при определенных условиях производства. ТЭН термоэлектродиых сплавов благородных металлов, no-Bvi-димому, должна быть несколько меньше неоднородности медных, никелевых и тугоплавких сплавов, так как все операции, связанные с высокотемпературным нагревом, не сопровождаются окислением и значительным испарением, т. е. не сопровождаются сильным изменением состава. Тот факт, что эксперимент ие всегда подтверждает это, говорит о том, что ТЭН представляет собой сложную суперпозицию неоднородностей, обусловленных многими факторами. В процессе открытой плавки и разливки термоэлектродиых сплавов неконтролируемое окисление легирующих элементов и примесей, а также ликвация могут приводить к появлению протяженной ТЭН. При открытой плавке и разливке хромеля т. э. д. с. проволоки, изготовленной нз этого сплава, становится более отрицательной при переходе от первого слитка к последнему по ходу разливки. У коиеля и алюмеля, наоборот, т. э. д. с. становится более положительной [41, с. 72-91]. Наблюдаемая зависимость протяженной ТЭН от порядка разливки в хромеле вызвана, по-видимому, обеднением сплава углеродом и кремнием, в алюмеле - кремнием, в конеле - марганцем. Т. э. д. с. проволоки, изготовленной из донной и литниковой частей слитка, часто наиболее сильно отклоняется от средних вели- 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 |