|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы даже сведены к нулю. Это возможно, если магнитное поле создается в изотермической области [496],а также при термостатирова-нии свободных концов при температуре, близкой к температуре ра-  Рис. II.12. Температурная завнснмость поправки ДГ в магнитном поле в для термопары ХК [531]: ; -В = 0,472 Т; 2-1,401 Т; 3-5 - 4,202 Т; 6 - 5,117 т - 2,337 Т; 4 - 3,281 Т; 11.2. СТАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ Данные по влиянию статических электрических полей иа термопары весьма немногочисленны и отрывочны. По данным работы [525], где исследовано влияние полей напряженностью (2-10 -5-105) в/см на показания термопары ХА при 150-450°С, в поле 5-10 В/см изменения т. э. д. с. термопары при 450 °С не превосходят 1 мкВ, что соответствует погрешности - 0,025 X. При измерении температуры термопарами в устройствах с переменными электрическими или магнитными (электромагнитными) полями (например, в электропечах) возникают специфические ошибки, связанные с влиянием этих полей на показания термопар. Наи--более сильные погрешности наблюдаются прн измерении температуры в условиях высокочастотного индукционного нагрева. В этом случае электромагнитное поле является источником погрешностей двух типов. Первый из них связан с появлением в цепи термопары паразитных высокочастотных сигналов, амплитуды которых для термопар МКн и ХА могут достигать очень больших величин (500- 900 мВ) [526]. Их обычно удается устранять путем заземления электродов через конденсаторы и с помощью различных усовершенствований измерительных схем. Погрешности второго рода возникают за счет дополнительного нагрева термоэлектродов в индукционном поле [526, 527]. Максимальные погрешности, связанные с дополнительным индукционным нагревом, на два порядка меньше погрешностей первого рода, однако онн не могут быть устранены какими-либо модификациями измерительных схем. Указанные эффекты зависят от материала термоэлектродов (особенно сильно эта зависимость проявляется у ферромагнетиков - алюмеля, железа). Также на эти эффекты влияет ориентировка электродов относительно магнитного поля - онн максимальны при продольной ориентировке и минимальны при поперечной. Кроме того, указанные эффекты зависят от диаметра термоэлектродов, условий теплоотвода от термоэлектродов, мощности индуктора и т. п. Максимальная погрешность в работе [527] для термопары ЖКн составляла 170 "С, ХА -около 16°С, МКн -около -1КС при поперечной ориентировке термоэлектродов и мощности индуктора около 9 кВт. У ферромагнитных термоэлектродов (железа, алюмеля) при работе в переменном магнитном поле наблюдается еще один эффект, заключающийся в появлении .периодических выбросов напряжения, который может приводить к дополнительной погрешности при измерении температуры. Этот эффект также зависит от ориентировки и диаметра термоэлектродов, напряженности и частоты магнитного поля. Амплитуда выбросов зависит, кроме того, от механических напряжений. В проводе нз алюмеля диаметром 3,2 мм, расположенном вдоль оси соленоида в переменном магнитном поле с действующим значением напряжеиности 200 А/м прн частоте 60 Гц возникали выбросы амплитудой 1,4 мВ, что соответствует ошибке 35 °С прн измерении мгновенной температуры термопарой ХА. Для подавления перечисленных эффектов рекомендуют помещать термопары в магнитный экран, создавать постоянное магнитное поле, достаточное для создания магнитного насыщения в термоэлектродах, поперечную ориентацию термопар и фильтрацию их сигналов [528]. Для уменьшения погрешностей, связанных с дополнительным нагревом, помимо указанных мер (кроме фильтрации), можно использовать покрытие термоэлектродов материалом, диэлектрическая проницаемость которого меньше, чем окружающей среды [529]. Методы уменьшения помех в термометрических цепях подробно рассмотрены в работе [530]. ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА Т.Э.Д.С. ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫХ СПЛАВОВ И ТЕРМОПАР 12.1. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ До настоящего времени термопары остаются наиболее широко распространенным средством измерения температуры в системах высокого давления. Термопары в этих условиях предпочтительнее, чем, например, термометры сопротивления, не только за счет преимуществ, обусловленных конструктивными особенностями (малых габаритов и инерционности, простоты конструкции и монтажа), но и за счет того, что соответствующие изменения градуировочиых характеристик под действием давления у термопар значительно меньше, чем у термометров сопротивления. Очевидно, что для использования термопар для измерения температур в системах высокого давления требуется знание зависящих    Рис. 12,1. Схемы измерения влияния давления на т. э. д. с. с различными распределениями температуры Г(х) и давления Р(х) вдоль термоэлектродов: а - общий случай: б - ДЕ=0: в - поправка максимальна: / - камера высокого давления; 2 -термопара; 3 - термостат свободных концов; 4 - нагреватель (печь) нли термостат) (крностат); 5 -к потенциометру от давления поправок к стандартным градуировочным таблицам. Поскольку изменения т.э.д.с. под действием высокого давления для большинства металлов и сплавов много меньше соответствующих величин т. э. д. с. прн нормальном давлении, то т. э. д. с. термопары, изготовленной из однородной проволоки с температурами концов (Го, Т\) и находящейся под действием высокого давления, при произвольном распределении температуры Т {х) и давления Р{х.) по длине (х) термоэлектродов можно представить в виде (рис. 12.1): Е\\ (Р) = I S (Т. Р) Vr(*) Лх = f S (Г) dr + + j (Т) Р () Vr W = E\\W\ (Р. а), (12.1) где 5(Г, Р) - чувствительность или дифференциальная т.э.д.с, зависящая от температуры и давления; Sj. -интегральная т.э.д.с, соответствующая стандартной градуировке термопары при нормальном давлении, а Ai;-ее изменение под действием давления. Величина ДЯ зависит, как видно из формулы (12.1), не только от максимального давления Р и температур Го и Г], но в общем случае и от совместных распределений Р{х) и Г(х); эта зависимость обозначена в формуле (12.1) параметром а. Очевидно, что изменение т. э. д. с ДЕ в общем случае определяется как градиентом, так и перепадом температур в зоне высокого давления (рис 12.1, д): Если Г Р (X) уГ (x)-f Pi (12.2) ,, = 7", (Vr=0), то Д£=0 (рнс 12.1,6). Это обстоятельство обеспечивает определенное преимущество термопар, например, перед термометрами сопротивления. В другом предельном случае, когда весь градиент температуры локализован в области однородного высокого давления (рис. 12.1, е) поправка ДЯ максимальна: Д£ = Р dS дР (12.3) Зависимость АЕ от распределения Т{х) в области высокого давления также является причиной неоднозначности результатов по зависимости АЕ{Р), полученных для одних и тех же материалов в разных условиях, например, в системах различной конструкции (см. рис 12.1, а и 12.1, е). Поправка к градуировке АЕ однозначно определяется давлением и температурами свободных концов Го и рабочего спая Ti лишь в случае, когда область градиента давления вдоль термоэлектродных проволок - в местах уплотнений и вывода их из камеры высокого давления - находится в изотермических условиях (VP=?0; vr=0), а область градиента температуры-в изобарических (VrO; VP=0), см. [532-534]. Такая схема использована, например, в некоторых гидростатических системах. В подобных системах, позволяющих реализовать указанные оптимальные условия измерения, обычно используется внешний подогрев, что существенно ограничивает максимальные температуры измерения (~400°С [535]). В более сложных негидростатических системах, используемых для получения более высоких давлений (до 10* МПа), термоэлект- роды в области уплотнений (градиента давления) часто находятся в неизотермических условиях. Так, в установке, на которой проводились измерения влияния давления до 7,2-102 МПа на т э д с ряда термоэлектродных сплавов [536], перепад температуры по уплотнению, где давление падает от Ртах до атмосферного давления, в области горячего конца образца составлял около 6°С а в области холодного конца - около 2°С прн полном перепаде АГ= = Г-Го=100°С. Для измерений т.э.д.с, давления при температурах, превышающих 400 °С, применяются камеры с внутренним подогревом, в которых эффекты неизотермичности области градиента давления могут оказаться особенно существенными [535, 537-539]. Обусловленные этой неизотермнчностью изменения поправок к т. э. д. с. 1 могут достигать 10% [540]. Поскольку Р н Т являются функциями координаты х вдоль термоэлектродной проволоки, Р(х) можно представить в виде Р{Т), тогда АЕ примет вид: Р (Г) dT. г., г (Р, а) = (12.4) предложен учитываю- В соответствии с формулой (12.4) в работе [538] метод корректировки измеренных поправок к т. э. д. с, щий нензотермичность области градиента давлений (уплотнений), по величине отношения площади под кривой температурного профиля давления к площади под идеальной кривой (изотермические уплотнения). Наблюдаемые экспериментально изменения градуировок термопар при измерении температур в условиях высокого давления могут быть связаны, помимо основного эффекта (зависимости т. э. д. с. от давления), с некоторыми побочными явлениями: электрическим шунтированием термопар изолирующей керамикой, загрязнением материалов термоэлектродов, пластической деформацией термоэлектродов. Вклад этих эффектов в измеряемые поправки подробно рассмотрен в работах [538, 540]. Имеющиеся в литературе данные по влиянию давления на т. э. д. с. были получены как на отдельных электродах, в том числе и дифференциальным методом [532, 536, 541], так и на термопарах [541-543] путем измерения т.э.д.с. электрода нли термопары в зоне высокого давления относительно электрода нз того же материала или термопары при атмосферном давлении. При использовании систем с внутренним подогревом возникает необходимость в независимом измерении температуры в зоне высокого давления, что представляет собой весьма сложную задачу. В связи с этим в ряде работ измеряли разность показаний (или относительные поправки) двух термопар различных типов, например ПРЮ/О и ХА [536, 539, 544], ПР13/0 и ХА [539, 544], ЖКн и ПРЮ/О [539]. Для точного измерения температуры в камере высокого давления с внутренним подогревом использовали также косвенные методы [539]. Следует отметить также предложенный в работе [545] параметрический метод определения влияния давления иа градуировки тер- 1 Уменьшение по отношению к максимальной величине соответствующей случаю, когда область градиента температуры находится в изобарических условиях, а область градиента давлений -в изотермических. мопар, не требующий непосредственного измерения температуры рабочего спая термопар. 12.2. МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ Т. Э. Д. С. ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Из выражения для 5диф (см. раздел 2.1.1., формула 2.1 в) 5диф - следует, что в модели свободных электронов единственной величиной, которая должна меняться под действием высокого давления, является энергия Ферми 8j!-, зависящая от объема по закону ер~ у-2/3, т. е. б 1п S/61п и = 0,66. Между тем полученные у реальных металлов в экспериментах по высокому давлению величины д 1п S/d In V [533] (см. ниже) не описываются этой простой зависимостью даже для металлов со сферической поверхностью Ферми (например, для Cs): Металл.....Li Na К Rb Cs Си Au Ag din S/d In и . . , 0,43 2,1 -0,36 0,39 50 2,6 6,3 4,4 Наблюдаемые отклонения от простой модели свободных электронов обусловлены изменением величины х как за счет искаже-ния формы поверхности Ферми, так и за счет изменения релаксационного члена в формуле (12.5). Влияние первого фактора (а для чистых металлов и второго) за счет изменения фононного спектра 1 и электрон-фононного взаимодействия особенно существенно, ког- да поверхность Ферми близка к границам зоны Вриллюэна. Это может вызвать изменение отношения числа JV и [/-процессов в рассеянии, анизотропии рассеяния (см. раздел 2.1) и резкое изменение производной дх/дг, поскольку т пропорционально плотности состоя- ний вблизи 8j!- начинает сильно зависеть от энергии вблизи границ зоны Вриллюэна. В переходных металлах и сплавах на нх основе, где т. э. д. с. определяется плотностью состояний в незаполненных зонах (Na, Nf и т.п.), см. раздел 2.2.2, сдвиг уровня Ферми под действием высокого давления может быть причиной сильных изменений т. э. д. с. за счет изменения релаксационного члена в формуле раздела 12.5: -б 1пт/(Э 1п 8 -d In iVd/d In 8 даже в приближении жестких зон. Изменения т. э. д. с. под действием высокого давления могут быть также связаны с двумя основными эффектами воздействия давления иа электронный спектр - изменением ширины s-p- и d-зон и изменением расстояния (энергетической щели) между этими зонами [546]. Первый нз эффектов должен приводить к изменению релаксационного члена, а второй - к изменению относительного заполнения этих зон, т. е. вклада носителей тока различных типов (электронов и дырок) в т. э. д. с. Специфический механизм влияния давления на т.э.д.с. редкоземельных элементов обусловлен локализованными на нх атомах магнитными моментами, связанными с 4/-электронами. Так, резкое Если под действием высокого давления поверхность Ферми приближается к границам зоны Вриллюэна или начинает соприкасаться с ними. 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 |