В чем заключается градуировка термопары

Градуировка термопары

Цель работы: ознакомиться с методом градуировки термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, термометр, колба с водой, электроплитка, потенциометр (прибор для измерения ЭДС источника тока. Принцип действия и описание его даны в работе № 3) или гальванометр.

Сведения из теории

Термопара представляет собой два разнородных проводника (I и II), соединенные своими концами (рис. 4.1, а). Места соединений называют спаями (А и В). Если температуры спаев не одинаковы (например, Т_А>Т_В), то в цепи термопары потечет ток (термоток) — явление Зеебека.

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС  пропорциональна разности температур “горячего” (А) и “холодного” (В) спаев

 =  (Т_А — Т_В), (4.1)

где  — удельная термо-ЭДС, определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо — константан  = 5,3  10 -5 В/К.

Возникновение термотока при Т_А  Т_В связано с наличием разных по величине контактных разностей потенциалов (КРП) в спаях А и В. КРП в любом из спаев определяется выражением

где А₁ и А₂ — работа выхода электрона соответственно из металлов I и II; е — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; n₁, n₂ — концентрации электронов в металлах I и II.

При одинаковых температурах спаев их КРП одинаковы, но про-тивоположны по направлению. ЭДС, равная алгебраической сумме скачков потенциалов в цепи, в этом случае нулевая, так как имеется два одинаковых источника тока, соединенных одинаковыми полюсами (рис. 4.1, б).

Если Т_А  Т_В, то

/_A/  /_B/,

 = _A — _B =

что совпадает с формулой (4.1), если

Используются термопары чаще всего для измерения высоких (или низких) температур. Для этого “горячий” спай помещают в среду, температуру Т которой хотят узнать (Т_А = Т), а “холодный” спай — в среду с известной температурой Т_В = Т_О (например, в тающий лед). Измерив термо-ЭДС (термоток) и зная , по формуле (4.1) легко вычислить Т. При измерениях удобно иметь предварительно проградуированную термопару. В этом случае нет необходимости в знании  . По измеренным ЭДС и Т непосредственно по графику  = f(Т = Т — Т_О) определяют Т, а значит, и Т. Задача данной лабораторной работы состоит в том, чтобы получить градуировочную кривую. Градуировку термопары производят по той же схеме (рис. 4.2), что и при измерениях температуры, с той лишь разницей, что “горячий” спай здесь помещают в среду, температуру которой можно изменить и измерить независимым от термопары способом (обычным термометром).

П р и м е ч а н и е. Очень часто ”холодный” спай оставляют при температуре окружающего воздуха (особенно при измерении температур в производственных условиях). В этом случае нет необходимости специально его создавать. Роль такого спая играет любой из контактов (В₁ или В₂) проводника термопары (рис. 4.3) с измерительным прибором.

Термоэлектрические преобразователи ЭнИ-300 ТНН, ТХА, ТХК, ТЖК, ТМК

Упрощенно возникновение ТЭДС в металлах и сплавах можно объяснить, опираясь на теорию электронного газа П. Друде. В модели, предложенной П. Друде, металл рассматривается как решетка атомов, на внешних орбиталях которых находятся валентные электроны, слабо связанные электромагнитными силами с ядром атома. Валентные электроны можно считать свободными частицами, так как они легко могут переходить от одного атома к другому. Эти электроны в металлах называют электронами проводимости. Система свободных электронов при отсутствии внешних воздействий находится в равновесии. Средняя скорость электронов равновесной системы равна нулю, хотя каждый из электронов обладает конечной энергией и скоростью, пропорциональной локальной температуре металла.

При изменении температуры вдоль проводника система электронов отклоняется от равновесного состояния. Средняя скорость электронов в области горячего конца проводника становится отличной от нуля, а вектор скорости направлен в сторону области с более низкой температурой. Поскольку электроны являются носителями заряда, наличие такой скорости приведет к возникновению электрического тока. Но электрическая цепь разомкнута, и поэтому электрический ток существует лишь до тех пор, пока в более холодной области не накопится заряд, достаточный для создания замедляющего электрического поля. Это поле противодействует дальнейшему накоплению заряда и в точности компенсирует влияние градиента температуры на среднюю скорость электронов. Когда достигается новое равновесное состояние, электрический ток в цепи исчезает.

Таким образом, при наличии градиента температуры в проводнике возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Различие в числе электронов на концах проводника и ток в цепи существуют до тех пор, пока есть градиент температуры. Соответственно градиент потенциала электрического поля, собственно и являющийся ТЭДС, не может возникнуть без температурного градиента. Это основной механизм возникновения ТЭДС который называетсядиффузионной составляющей ТЭДС. Она доминирует в чистых металлах при температурах выше температуры Дебая и является основной составляющей ТЭДС, возникающей во всем температурном диапазоне применения для сплавов, содержащих несколько процентов легирующих элементов.

Величина ТЭДС EA(T), возникающей на однородном участке проводника A, определяется как:

где SA(T) – локальная чувствительность участка проводника. Из выражения (1) следует, что:

Формула (2) выражает абсолютный коэффициент Зеебека локального участка – физическую характеристику любого электропроводящего материала, которая не зависит от наличия других материалов в цепи.

Зависимость ТЭДС от температуры для термопары, состоящей из изотропных термоэлектродов, представляется в интегральном виде:

Коэффициент Зеебека пары проводников АВ SAB представляет собой разность коэффициентов Зеебека материала А и материала В:

Коэффициент Зеебека SAB, характеризующий изменение EAB в зависимости от температуры, называют также коэффициентом ТЭДС, дифференциальной ТЭДС или чувствительностью термопары. Для большинства пар металлов и сплавов SAB имеет порядок 10–5–10–4 В/К.

На практике электроды термопар на разных участках своей длины имеют неодинаковый коэффициент ТЭДС. Это проявление неоднородности физических свойств реальных материалов и сплавов, обусловленной колебаниями их состава и структуры, получило название термоэлектрической неоднородности (ТЭН). Исходная ТЭН термоэлектродной проволоки возникает при ее изготовлении, развивается в процессе изготовления термопар и представляет собой, как правило, небольшие колебания ТЭДС. У отработавших некоторое время термопар ТЭН термоэлектродов является результатом наложения исходных неоднородностей и неоднородностей, развивающихся в процессе эксплуатации вследствие ряда причин: изменения состава сплава за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения отдельных элементов сплава; поглощения элементов извне при взаимодействии с изолирующими материалами и окружающей средой; рекристаллизации, роста зерна; превращений в твердом состоянии (упорядочения, распада твердого раствора). Неоднородность может возникнуть в любое время в процессе использования термопары.

Любой неоднородный термоэлектрод можно рассмотреть, как цепь нескольких локально однородных участков произвольной длины и с заданными температурами на концах. В этом случае напряжение, возникающее на концах термопары, – это сумма ТЭДС от всех участков с различной температурой на концах (см. формулу 3). На участках с постоянной температурой ТЭДС не генерируется.

Применение методики поверки, изложенной в ГОСТ 8.338-2002, при периодической поверке ранее эксплуатировавшихся, а значит неизбежно приобретших термоэлектрическую неоднородность термоэлектрических преобразователей, зачастую приводит к заведомо ложным результатам. Так реально поверка по ГОСТ 8.338-2002 производится при глубине погружения 250-300 мм и её результаты будут действительны только для этой глубины погружения, при этом термопары в условиях эксплуатации помещаются в печь на 500мм и более. Участок основного градиента температур, как правило, приходится на часть термопары, расположенную в зоне футеровки печи. Что иллюстрирует рисунок 2. Следовательно, участок длиной 250-300 мм расположен в зоне практически равномерной температуры и генерируемая на нём величина термо-э.д.с. значительно меньше, чем на участке основного градиента.
Можно утверждать, что термопара, помещенная в печь на большую глубину, чем при поверке, будет давать показания ближе к истинным, а результат поверки нельзя учитывать в качестве поправки к её показаниям. Тем более нельзя применять ранее использовавшуюся термопару на глубине погружения меньшей той, при которой проводилась поверка.

Градуировка термопары

Согласно ГОСТ 8.585 и МЭК 60574 градуировки термопар имеют буквенные коду K,J,N, T, S, R, B в зависимости от химического состава термоэлектродов. В следующей таблице приведены обозначения градуировок термопар, диапазон в котором нормирована НСХ каждого типа градуировки термопар и цветовая маркировка удлинительных проводов термопар.

Тип датчика	Эскиз провода	НСХ нормирована в диапазоне температур	Цветовая маркировка по МЭК 60584:3-2007	Номинальный состав
ХА (К)	От -200	«+» Зеленый	Хромель
	До 1370	«-» Белый	Алюмель
НН (N)	«+» Розовый
	«-» Белый
ЖК (J)	«+» Черный
	«-» Белый
МК (Т)	«+» Коричневый
	«-» Белый
ПП(S)
	ПП (R)
ПР (B)
	ХК (L)	«+» Зеленый
«-» Желтый

Кабельные термопары

В своем производстве, «ПК»Тесей» использует кабельные термопары. Она представляет собой гибкую металлическую трубку с размещёнными внутри нее одной, двумя или тремя парами термоэлектродов, расположенными параллельно друг другу. Пространство вокруг термоэлектродов заполнено уплотненной мелкодисперсной минеральной изоляцией. Термоэлектроды кабельной термопары со стороны рабочего торца попарно сварены между собой, образуя один, два или три рабочих спая. Рабочий торец заглушен с помощью сварки, либо имеет открытый спай. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки датчика температуры или к удлиняющим проводам. Высокая плотность изоляции кабельной термопары позволяет навивать её на цилиндр радиусом, равным пятикратному диаметру кабеля, без изменения технических характеристик термопары. Например, термопару диаметром 3 мм можно навить на трубу диаметром 30 мм. При этом не происходит замыкания электродов между собой или с оболочкой. Надежная изоляция обусловлена технологией изготовления тер-мопарного кабеля. Из окиси магния или алюминия методом сухого прессования изготавливают двухканальные бусы, в которые вставляют термоэлектроды, сборку помещают в трубу диаметром около 20 мм и многократно протягивают через фильеры, проводя промежуточный отжиг в среде водорода или аргона.

Главные преимущества кабельных термопар.

• широкий диапазон рабочих температур. Это самый высокотемпературный из контактных датчиков;
• малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их для регистрации быстропротекающих процессов;
• универсальность применения для различных условий эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость;
• способность выдерживать большие рабочие давления;
• изготовление на их основе термопреобразователей в защитных чехлах блочно-модульного исполнения, обеспечивающих дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и создающих возможность оперативной замены термочувствительного элемента.

Датчик температуры выполненный на основе термопарного кабеля удобен в эксплуатации, его конструкцияпозволяет изгибать кабель, монтировать в труднодоступных местах, в кабельных каналах, при этом длина ТП может достигать нескольких сотен метров. Термопары можно приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

• ниже нуля – тип Т
• комнатные температуры – тип К, Т
• до 300 °С – тип К
• от 300 до 600°С – тип N
• выше 600 °С – тип К или N

Подключение термопары.

Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются ко вторичному прибору. Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода, выполненные из того же материала, что и сама термопара. Для этой цели можно использовать и обычные медные провода, однако в этом случае необходим выносной датчик температуры холодного спая, который должен измерять температуру в месте контакта термопары с медными проводами.

Рисунок 4. Схема подключения термопары

Схема подключения термопар к клеммам головки для одной (Рис.5) и двух пар (Рис.6) термоэлектродов.

Рисунок5

Рисунок6

Погрешность измерений термопарой. Расчёт неопределенности результатов измерения температуры

Основные нормативные документы, касающиеся неопределенности измерений:

Руководство по оцениванию неопределенности в измерении (документ принят Международной Организацией по Стандартизации, Женева, 1993). ГОСТ Р 54500.1-2011 Неопределенность измерения. Часть 1. Введение в руководства по неопределенности измерения ГОСТ Р 54500.3-2011 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения EA-4/02 Выражение неопределенности измерения при калибровке.

Бюджет неопределенности измерений

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами влияют многие факторы, основные из них это:

1. неопределенность измерения термо-ЭДС регистрирующим прибором;
2. класс допуска термопары;
3. неопределенность калибровки термопары, т.е. определения её индивидуальной статистической характеристики (ИСХ);
4. термоэлектрическая характеристика удлинительной линии, соединяющей термопару с регистрирующим прибором;
5. изменение дифференциальной чувствительности (коэффициента Зеебека) термопары во времени (дрейф) и по длине, обусловленное возникновением и развитием термоэлектрической неоднородности (ТЭН).

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 2. Бюджет неопределенности составлен в соответствии указанными выше нормативными документами. Для пояснения вкладов каждого из источников в суммарную неопределенность полезно привести выдержку из РМГ-43, касающуюся неопределенностей типа B:

«Наиболее распространенный способ формализации неполного знания о значении величины заключается в постулировании равномерного закона распределения возможных значений этой величины в указанных (нижней и верхней) границах [(bi–;bi+) для i-й входной величины]. При этом стандартную неопределенность, вычисляемую по

типу В – uB(xi), определяют по формуле , а для симметричных границ (±bi) – по формуле » (где xi – оценка i-й входной величины).»

Таблица 2. Бюджет неопределенности измерений

Источник неопределенности	Обозначение	Тип и вид распределения неопределенности		Вклад в суммарную неопределённость
Случайные эффекты при измерении	uСКО	тип А, нормальное распределение		uСКО
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) регистрирующего прибора	uприбора	тип В, равномерное симметричное распределение
Разрешающая способность прибора	uр.с.	тип В, равномерное асимметричное распределение
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) компенсации температуры опорных спаев	uопор	тип В, равномерное симметричноераспределение
Нестабильность прибора за межповерочный интервал (МПИ)	uдрейф_приб	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) влияние температуры окружающей среды на измерительный прибор	uокр_приб	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) класса допуска удлинительных проводов	uпровода	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределённость индивидуальной статической характеристики ТП	uДТ	uДТ = uИСХ в случае индивидуальной градуировки датчика uДТ = uКД в случае поверки ТП на соответствие классу допуска
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) калибровки ТП	uИСХ	тип В, нормальное распределение
Расширенная неопределенность класса допуска ТП	uКД	тип B, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) влияние температуры окружающей среды на датчик температура	uокр_ДТ	тип В, равномерное симметричноераспределение
Нестабильность ТП за межповерочный интервал (МПИ)	uдрейф	тип В, равномерное симметричноераспределение
Неоднородность ТП	uТЭН	тип В, равномерное симметричноераспределение
Тепловой контакт со средой	uПЕЧЬ	тип В, равномерное симметричноераспределение
Самонагрев датчиков серии ТС	UНагр	тип В, равномерное асимметричное распределение
Расширенная неопределенность измерения температуры, °C		uТ

Расширенная неопределенность измерения uТ определяется по формулам:

при измерении термопарами с индивидуальной градуировкой

при измерении термопарами без индивидуальной градуировки.

Хромель

Свое название сплав хромель получил благодаря слиянию слова «хром» и последней части слова «никель», т.е. основных его элементов: хрома и никеля. Базовую основу хромеля составляет никель (Ni), доля которого в сплаве около 89-90%. Доля хрома (Cr) – около 8,5-10%. Незначительную часть в составе занимают примеси углерода (С), железа (Fe) и кобальта (Co), в объеме до 0,2%, до 0,3%, и около 1% соответственно, плюс ничтожное количество кремния. Плотность сплава — 8710 кг/м3. Плавиться хромель начинает при нагреве до температуры 1400-1500 °C.

Никелевая основа делает хромель не подверженным коррозии. Сплав имеет хорошее сочетание термоэлектрических свойств и жаростойкости. Одна из ключевых характеристик хромеля — почти прямолинейное изменение термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в широком интервале температур, от 20 °C до 1000 °C. Иными словами, сплав обладает способностью вырабатывать электрический ток в контактируемом с другим металлом месте. Удельное электрическое сопротивление хромеля составляет 0,66 мкОм·м.

Форма выпуска хромеля – термопарная проволока в виде сортового проката марок НХ9,5 и НХ9. Проволока хромель марки НХ9,5 в термопаре с копелем играет роль положительного электрода. В «чистом» виде хромель используется для производства нагревательных устройств, термоэлектрических пирометров — приборов для бесконтактного измерения температуры, применяется в электротехнике. Хромель марки НХ9 используется в качестве компенсационного провода для термопар.

Стабильность термопар

Многочисленные исследования показали более высокую стабильность кабельных ТП по сравнению с обычными проволочными. Так, изменение показаний кабельных термопар типа ХК диаметром 4 мм (диаметр электрода 0,85 мм) при 425 ±10°С за 10000 часов не превышает 0,5°С, а за 25000 часов составляет +1,15°С, тогда как для проволочных достигает 1°С за 10000 часов.

Сравнительные испытания термопар типа ХА показали, что изменение термо-э.д.с. кабельной термопары наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800°С за 10000 часов составляет примерно 2,5°С, тогда как у обычной термопары ТХА с термоэлектродами диаметром 3,2 мм оно достигает 3°С, а при диаметре электродов 0,7 мм превышает 200–250 мкВ (5-6°С) при тех же условиях.

Изменение термо-э.д.с. кабельных термопар в оболочке из высоко-никелевых сплавов при 980°С также вдвое меньше, чем у обычной термопары при той же температуре за 5000 ч. Изменение показаний проволочной термопары ТХА с электродами диаметром 3.2 мм достигает 11°С за 1000 ч при температуре 1093°С, а при 1200°С – 12,5°С за 200 ч. Повышенная стабильность кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды металлической оболочкой и оксидом магния.

Изменение термо-э.д.с. термопарного кабеля: КТМС-ХА (1) и термопара ХА в обычном исполнении (2) при 800°С. Диаметр электродов – 0,7 мм

Изменение термо-э.д.с. термопарных кабелейКТМС-ХА после нагрева на воздухе при 800°С.Цифры на рисунке — диаметр кабелей, мм

Вольфрам-рений тип А-1, А-2, А-3

Отлично измеряет температуры до 1800 градусов. В промышленности используется для измерения показателей около 3000 0С. Нижний предел ограничивается – 1300 0С. Можно эксплуатировать в аргоновой, азотной, гелиевой, сухой водородной и вакуумной средах.
Термо-ЭДС при 2500 0С — 34 мВ для измерительных устройств из сплавов ВР5/20 и ВАР5 /ВР20 и 22 мВ, для термопар из сплава ВР10/20, чувствительность – 7-10 и 4-7 мкВ/ 0С.

ТВР характеризуется механической устойчивостью даже в условиях высокой температуры, справляется со знакопеременными нагрузками и резкими тепловыми сменами. Удобна в установке и практически не теряет свойств при загрязнении.

Минусы: низкая производимость термо-ЭДС; при облучениях нестабильная термо-ЭДС ; падение чувствительности при 2400
0С и более.
Более точные результаты у сплавов ВАР5/ВР20 наблюдаются при длительном измерении, что не так характерно для сплавов ВР5/20.

В ТВР электроды изготавливаются из сплавов ВР5 – положительный и ВР20 – отрицательный; ВАР5 – положительный и ВР20 – отрицательный или ВР10 – положительный и ВР20 – отрицательный электрод.

Незначительное наличие О2 способно вывести термопару вольфрам-рений из строя. В окислительной среде используются лишь в быстротекущем процессе. В условиях сильного окисления моментально выходит из строя.

Иногда эта термопара может использоваться в работе высокотемпературной печи совместно с графитовым нагревательным элементом.

В качестве электродных изоляторов применяют керамику. Оксид бериллия можно применять, как изолятор в том случае, когда воздействующая на него температура не превышает температур плавления. При измерении значений меньше 1600 0С электроды защищают чистым оксидом алюминия или магния. Керамический изолятор должен быть прокален для возможности очистки разных примесей. В условиях повышенного окисления используются чехлы из металла и сплавов Mo- Re, W-Re с покрытиями. Измерительный прибор с защитой из иридия можно кратковременно использовать на воздухе.

В чем заключается градуировка термопары

Для получения надежных результатов измерений температуры с помощью термопар необходима не только предварительная градуировка термопар перед работой, но и периодическая проверка этой градуировки в процессе их использования.

Градуировка термопар производится в специальных учреждениях или непосредственно в лабораторных условиях. Она состоит в сличении показаний изготовленной термопары с показаниями эталонной (термометра сопротивления). При низких температурах могут быть использованы образцовые ртутные термометры.

Для градуировки термопар из сплавов «хромель — алюмель» проводятся эксперименты. Во время опыта измеряется обыкновенная вода с температурой от 0 до 100 градусов. В стеклянную емкость с водой помещаются термопара спаянным концом и стеклянный ртутный термометр. Свободные концы подключаются на клеммы аналагово-цифрового преобразователя, в котором происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой, вывод которого на экран монитора показаний термопар через специально разработанную программу под термопары. Экспериментально нашли значения ЭДС для 5 точек при 0, 20, 40, 60, 80, 100 0С. Используя результаты построили графики (на рис. 2.3 и 2.4) зависимости термоЭДС от температуры. Опыт проводился два раза, так требовалось сделать градуировку для двух комплектов термопар (рисунок 3.1 и рисунок 3.2).

Рисунок 3.1- График зависимости термоЭДС от температуры жидкости

Рисунок 3.2 — График зависимости термоЭДС от температуры жидкости

На рисунке 3.1 и 3.2 показана функциональная зависимость, предназначенная для градуировки хромель-алюмелевых термопар. Экспериментальные данные по напряжению и соответствующей ей температуре сформированы в таблице 3.5 и 3.6.

Таблица 3.5 — Данные градуировки термопар (0,1,2,3,4)

Таблица 3.6 — Данные градуировки термопар (5,6,7)

Аппроксимацией функции получены уравнения (3.1) перевода из мВ в t, °С по экспериментальным данным из таблицы 3.5 и 3.6.

t = 24,51E + 20,912 (3.1)

t = 25,063*E + 18,797 (3.2)

где Е — напряжение, мВ.

В данной работе для перехода от термоЭДС к температуре приняли 10С = 0,04 мВ

Инструкция по проведению опытов

Лабораторная работа выполняется группой студентов в количестве 10-14 человек под руководством преподавателя. В начале занятия студенты опрашиваются преподавателем по теории соответствующей лабораторной работы и порядке её выполнения, которые коротко изложены в настоящих методических указаниях. По окончании эксперимента результаты наблюдений, оформленные в виде таблиц, предъявляются преподавателю.

При выполнении очередной работы студенты должны представить преподавателю отчет по предыдущей работе.

Отчет по каждой лабораторной работе, в который входит как текстовая так и графическая части, должен грамотно оформляться на стандартных листах белой бумаги А4 (210х297 мм), сброшюрованных с титульным листом (см. образец) в соответствии с ГОСТ 19600-74 и на твердых носителях информации. В печатном варианте отчет должен быть отпечатан либо через один, либо полтора межстрочных интервала, одновременное использование двух вариантов не допускается. Нумерация страниц оформляется по центру внизу страницы. По всем четырем сторонам листа следует оставить поля: размер левого поля 30 мм, правого 15 мм, верхнего и нижнего полей не менее 20 мм. Текстовые документы оформляют в виде сброшюрованной пояснительной записки. В сквозную нумерацию страниц включаются приложения и список литературы, а также исполненные на отдельных листах рисунки, графики, диаграммы, таблицы и компьютерные распечатки формата А4.

В отчете должны быть отражены следующие пункты:

1) цель работы и задачи исследований;

2) краткое изложение теории по сути исследований;

3)принципиальная схема лабораторной установки или ее участка с краткими пояснениями о ее функционировании;

4)таблицы с результатами наблюдений и методология последующей математической их обработки;

5)графическая иллюстрация главных положений по результатам расчетно-экспериментальных исследований;

6)основные выводы, непосредственно вытекающие из результатов работы.

Над каждым столбцом в таблице необходимо указать, какие величины приведены в таблице и в каких единицах.

Графический материал, приведенный в отчете, должен удовлетворять следующим требованиям:

-графики выполняются в электронном виде и распечатываются на отдельных листах бумаги;

-графики должны быть занумерованы и иметь названия;

-если на одном графике приводятся результаты нескольких экспериментов, отличающихся условиями их проведения или опытными образцами, то для отметки экспериментальных точек следует пользоваться различными значками;

-графики должны сопровождаться объяснениями обозначений нанесенных точек;

— на осях графика следует указывать название или символ величины и единицы ее измерения, при этом, если измеряемые величины отличаются на много порядков от 1, то целесообразно представить их в форме с десятичным множителем (например, P*10-5 Па и т. д.);

-если на графике для сравнения с экспериментом приводится теоретическая кривая, то расчетные точки, используемые для ее построения, не должны быть видны на графике;

— кривые должны быть проведены плавно, через возможно большее число точек.

Графики должны быть наглядными, удобными и легко читаемыми. Это во многом зависит от удачной разметки осей графика, т. е. от правильного выбора масштаба и диапазона (интервала), в котором представляется исследуемая величина. Масштаб должен быть простым. Лучше всего, когда одному сантиметру (1 см) оси соответствует единица измеренной величины или ее значение, кратное 10. Возможен также масштаб, кратный 2 или 5.

Выбор начального и конечного значения шкалы на осях производится из условий более полного использования всего поля графика.

Основы термоэлектричества

Метод измерения температуры термопарами основан на явлении Зеебека: в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых различныхпроводников, возникает электрический ток, если в местах контактов поддерживается различная температура. Схема, иллюстрирующая принцип работы термопары (эффект Зеебека) представлена на рис. 1

Рисунок 1. Термопарасхема: A, B – различные проводники, T и T+dT – температуры спаев

Упрощенно возникновение ТЭДС в металлах и сплавах можно объяснить, опираясь на теорию электронного газа П. Друде. В модели, предложенной П. Друде, металл рассматривается как решетка атомов, на внешних орбиталях которых находятся валентные электроны, слабо связанные электромагнитными силами с ядром атома. Валентные электроны можно считать свободными частицами, так как они легко могут переходить от одного атома к другому. Эти электроны в металлах называют электронами проводимости. Система свободных электронов при отсутствии внешних воздействий находится в равновесии. Средняя скорость электронов равновесной системы равна нулю, хотя каждый из электронов обладает конечной энергией и скоростью, пропорциональной локальной температуре металла.

При изменении температуры вдоль проводника система электронов отклоняется от равновесного состояния. Средняя скорость электронов в области горячего конца проводника становится отличной от нуля, а вектор скорости направлен в сторону области с более низкой температурой. Поскольку электроны являются носителями заряда, наличие такой скорости приведет к возникновению электрического тока. Но электрическая цепь разомкнута, и поэтому электрический ток существует лишь до тех пор, пока в более холодной области не накопится заряд, достаточный для создания замедляющего электрического поля. Это поле противодействует дальнейшему накоплению заряда и в точности компенсирует влияние градиента температуры на среднюю скорость электронов. Когда достигается новое равновесное состояние, электрический ток в цепи исчезает.

Таким образом, при наличии градиента температуры в проводнике возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Различие в числе электронов на концах проводника и ток в цепи существуют до тех пор, пока есть градиент температуры. Соответственно градиент потенциала электрического поля, собственно и являющийся ТЭДС, не может возникнуть без температурного градиента. Это основной механизм возникновения ТЭДС который называетсядиффузионной составляющей ТЭДС. Она доминирует в чистых металлах при температурах выше температуры Дебая и является основной составляющей ТЭДС, возникающей во всем температурном диапазоне применения для сплавов, содержащих несколько процентов легирующих элементов.

Величина ТЭДС E_A(T), возникающей на однородном участке проводника A, определяется как:

, (1)

где S_A(T) – локальная чувствительность участка проводника.
Из выражения (1) следует, что:

. (2)

Формула (2) выражает абсолютный коэффициент Зеебека локального участка – физическую характеристику любого электропроводящего материала, которая не зависит от наличия других материалов в цепи.

Зависимость ТЭДС от температуры для термопары, состоящей из изотропных термоэлектродов, представляется в интегральном виде:

. (3)

Коэффициент Зеебека пары проводников АВ S_AB представляет собой разность коэффициентов Зеебека материала А и материала В:

. (4)

Коэффициент Зеебека S_AB, характеризующий изменение E_AB в зависимости от температуры, называют также коэффициентом ТЭДС, дифференциальной ТЭДС или чувствительностью термопары. Для большинства пар металлов и сплавов S_AB имеет порядок 10–5–10–4 В/К.

На практике электроды термопар на разных участках своей длины имеют неодинаковый коэффициент ТЭДС. Это проявление неоднородности физических свойств реальных материалов и сплавов, обусловленной колебаниями их состава и структуры, получило название термоэлектрической неоднородности (ТЭН). Исходная ТЭН термоэлектродной проволоки возникает при ее изготовлении, развивается в процессе изготовления термопар и представляет собой, как правило, небольшие колебания ТЭДС. У отработавших некоторое время термопар ТЭН термоэлектродов является результатом наложения исходных неоднородностей и неоднородностей, развивающихся в процессе эксплуатации вследствие ряда причин: изменения состава сплава за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения отдельных элементов сплава; поглощения элементов извне при взаимодействии с изолирующими материалами и окружающей средой; рекристаллизации, роста зерна; превращений в твердом состоянии (упорядочения, распада твердого раствора). Неоднородность может возникнуть в любое время в процессе использования термопары.

Любой неоднородный термоэлектрод можно рассмотреть, как цепь нескольких локально однородных участков произвольной длины и с заданными температурами на концах. В этом случае напряжение, возникающее на концах термопары, – это сумма ТЭДС от всех участков с различной температурой на концах (см. формулу 3). На участках с постоянной температурой ТЭДС не генерируется.

(5)

Применение методики поверки, изложенной в ГОСТ 8.338-2002, при периодической поверке ранее эксплуатировавшихся, а значит неизбежно приобретших термоэлектрическую неоднородность термоэлектрических преобразователей, зачастую приводит к заведомо ложным результатам. Так реально поверка по ГОСТ 8.338-2002 производится при глубине погружения 250-300 мм и её результаты будут действительны только для этой глубины погружения, при этом термопары в условиях эксплуатации помещаются в печь на 500мм и более. Участок основного градиента температур, как правило, приходится на часть термопары, расположенную в зоне футеровки печи. Что иллюстрирует рисунок 2. Следовательно, участок длиной 250-300 мм расположен в зоне практически равномерной температуры и генерируемая на нём величина термо-э.д.с. значительно меньше, чем на участке основного градиента.

Можно утверждать, что термопара, помещенная в печь на большую глубину, чем при поверке, будет давать показания ближе к истинным, а результат поверки нельзя учитывать в качестве поправки к её показаниям. Тем более нельзя применять ранее использовавшуюся термопару на глубине погружения меньшей той, при которой проводилась поверка.

Градуировка термопары

Согласно ГОСТ 8.585 и МЭК 60574 градуировки термопар имеют буквенные коду K,J,N, T, S, R, B в зависимости от химического состава термоэлектродов. В следующей таблице приведены обозначения градуировок термопар, диапазон в котором нормирована НСХ каждого типа градуировки термопар и цветовая маркировка удлинительных проводов термопар.

Эскиз провода

НСХ нормирована в диапазоне температур

Цветовая маркировка
по МЭК 60584:3-2007