Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

Направление

возникающего термоэлектрического тока, проте-

кающего через горячий спай термопары, — от более электроотри-

цательного металла-электрода к более электроположительному.

Это можно определить по ряду напряжений — Sb, Fe, Аи, Си, Ag,

Zn,

Pb, Pt, Bi и т. д.," в котором каждый последующий металл — бо-

лее электроотрицательный, чем предыдущий.

Металлы электродов, составляющих термопару, должны удовле-

творять следующим основным требованиям:

1) развивать в паре

друг

другом

т. э. д. с. — значительную

плавно изменяющуюся в изучаемом и достаточно широком интер-

вале температур; это возможно лишь в отсутствие в металлах-элек-

тродах

фазовых или внутрифазовых превращений;

2) обладать стабильностью т. э. д. с. за длительный период

эксплуатации;

3) быть химически стойкими в различных условиях использова-

ния,

в том числе в атмосфере

воздуха

и печных газов.

В качестве термопар более часто применяют следующие сочета-

ния

— соединения металлов: платинородий (10% родия) — платина

(ПП1),

платинородий (30% Rh) — платинородий (6% Rh) (ПР 30/6),

хромель — алюмель (ХА), хромель — копель (ХК). Для измерения

высоких температур (до

2400°

С) используют сплавы вольфрама с ре-

нием,

в частности термопары из сплава вольфрама с 5% Re и воль-

фрама с 20% Re (BP 5/20) или вольфрама с 10% Re и вольфрама

с 20% Re (BP 10/20). Их можно применять только в

вакууме

или

нейтральной атмосфере.

Для низких температур (до

—250°

С) используют термопару

медь—копель.

Значения

т. э. д. с. для наиболее распространенных термопар

указаны в табл. 7. Наивысшие температуры, для которых приведены

т. э. д. с, являются максимальными для соответствующих термопар

условиях длительного нагрева. Для кратковременного нагрева

эти

температуры в среднем на

200—300°

G выше.

При

выборе той или иной термопары надо учитывать состояние

среды, в которой она должна работать, и максимальные темпера-

туры, подлежащие измерению.

Следует

отдавать предпочтение тер-

мопаре,

развивающей в заданном интервале температур наивысшую

стабильную т. э. д. с.

Точность измерения температуры зависит от способа изготовле-

ния

термопар. Горячий спай термопары надо получать сваркой

(лучше электродуговой)

двух

скрученных проволок

, изолированных

друг

от

друга

фарфоровыми трубками. Собранная таким образом

термопара может быть непосредственно использована для изме-

рений.

Если

термопара нужна для измерений температуры в химически

активной

среде, то ее заключают в защитную

трубку

из жаростой-

Чем больше скорость изменения температуры и меньше размер нагреваемых

или

охлаждаемых

образцов, тем меньше должна быть инерционность спая и, следо-

вательно, меньше его размеры.

Таблица

ЗНАЧЕНИЕ

Т. Э. Д. С.

РАЗЛИЧНЫХ ТЕРМОПАР

В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ

ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА

ГС

мпсратура

:о спая,

°С

г- т

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Т.

э.

с.

термопар.

температуре.

мВ,

при

0°С, холодных

концов

(холодного спая)

атиноро-

—

пла-

на

(ПП-lj

я к

0,64

1,42

2,31

3,24

4,21

5,22

6,25

7,32

8,43

омель-

юмель

А)

4,10

8,13

12,21

16,39

20,64

24,90

29,14

33,31

37,36

омсль-ко-

ль

(ХК)

6,90

14,65

23,16

13,53

10,15

49,00

17,75

66,40

атинороднй

Rh)

атиноро-

(6%

Rh)

Р-30/6)

CUE Ч^

—

0,46

0,81

1,27

1,82

2,47

3,20

4,02

мпература

го

спая,

°С

Е-

э-

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

т.

э.

д.

с.

термопар,

температуре,

мВ,

при

0°С, холодных

концов

(холодного спая)

атиноро-

—

пла-

на

(ПП-1)

Я S

9,57

10,74

11,95

13,15

14,37

15,55

16,76

—

омель-

юмель

А)

41,31

45,14

—

омель-ко-

ль

(ХК)

О.

—

атинородий

Rh)

атиноро-

(6% Rh)

Р-30/6)

ч§

ч кЕ

4,91

5,88

6,90

7,98

9,11

10,27

11,47

12,69

13,93

Таблица

МЕТАЛЛЫ

СПЛАВЫ,

ПРИМЕНЯЕМЫЕ

КАЧЕСТВЕ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ПРОВОДОВ

термопары

ХА

ХК

ПП1

ВР

5/20

Электрод

Хромель

Алюмель

Хромель

Копель

Платина

Платинородий

(10% Rh)

Сплав вольфрам

+ 5% Re

Сплав вольфрам

-|- 20% Re

с остав компенсационных проводов

Медь

(до 100°

С); сплав

НМ (Ni+

17% Си) до 250° С

Константан

(до 100°

С); сплав

МТ

(Си

+ 0,5% Ti) до 250° С

Тот

же

сплав,

что и

основной элек-

трод

То

же *

Медь

Сплав

ТП (Си + 0,5% Ni)

Медь

Сплав МН2.4

(Си + 2,4% Ni)

данном

случае

провода

из

этих сплавов являются удлинителями электродов

тер-

мопары.

кой

стали, кварца

или

фарфора

Свободные концы термопары

выводят непосредственно

измерительному прибору

или

сначала

Фарфоровые трубки

требуют

медленного нагрева

охлаждения

районе

300—

ъоо

их соединяют с компенсационными проводниками, которые подклю-

чают к измерительному прибору.

Использование

компенсационных проводов нужно, чтобы макси-

мально отдалить холодный спай термопары от источника нагрева,

так

как повышение температуры этого спая уменьшает результи-

рующую

т. э. д. с. горячего спая' и

требует

введения значительной

точно не определяемой соответствующей поправки.

Состав компенсационных (удлинительных) проводов (табл. 8) *

выбирают в зависимости от состава основных металлов-электродов.

Рис.

48.

Схема потенциометра

В качестве приборов для измерения т. э. д. с. используют милли-

вольтметры (гальванометры) и потенциометры (рис. 48).

Милливольтметры — приборы магнитоэлектрического типа, по-

казания

которых основаны на взаимодействии поля, создаваемого

термотоком, проходящим через измерительную обмотку, с магнит-

ным

полем постоянного магнита. В

результате

взаимодействия рамка

прибора вместе с измерительной катушкой поворачивается на

угол,

пропорциональный

величине проходящего термотока; при этом

преодолевается действие пружины (для стрелочного прибора) или

крутящий момент

упругого

подвеса (для зеркальных гальванометров)

с оптической регистрацией.

Милливольтметр снабжен милливольтовой шкалой, а иногда

температурной (градусной) или обеими этими шкалами. Темпера-

турная шкала пригодна только для определенных термопар и для

постоянной

температуры холодного спая (0 или 20° С). Если же

Компенсационные провода создают равные, но противоположные по знаку зна-

чения

т. э. д. с, развиваемые в местах их спая с основными электродами термопары.

температура холодного спая выше, то

тогда

на соответствующее

число

градусов

смещают нулевое положение стрелки. Можно

учесть

изменение температуры холодного спая на приборе с милливоль-

товой шкалой.

Зная

это изменение температуры, находят по градуи-

ровочной кривой соответствующее изменение т. э. д. с. и на эту

величину смещают нулевое положение стрелки (или зеркала).

Точность показания прибора зависит также от изменения сопро-

тивления

внешней цепи, т. е. термопары и соединительных проводов.

Если

сопротивление этой цепи изменилось, например, за счет окис-

ления

термопары, то

тогда

истинная т. э. д. с. может быть опре-

делена по следующей формуле:

= Е

изм р

\цепи

где

изм

— показания прибора;

^цепи

— исходное сопротивление, для которого действительна

милливольтовая шкала прибора;

•^цепи

— изменившееся сопротивление.

Соответственно может быть определено и изменение по шкале

температуры:

Для основных типов термопар приводятся стандартные таблицы

перехода от значений т. э. д. с. к температуре. Но для проведения

точных экспериментов надо проводить градуировку термопары,

т. е. устанавливать зависимость

между

т. э. д. с. и температурой,

особенно

для изучаемого интервала. Это необходимо, так как термо-

пары в процессе службы

могут

изменять т. э. д. с. за счет струк-

турных изменений в сплавах — электродах термопары, окисления

т. п. Наконец,

могут

изменяться и характеристики прибора.

Градуировочная кривая строится по. температуре плавления

(кристаллизации) чистых веществ — металлов или солей \ так как

эти

температуры имеют неизменную величину (табл. 9). Эти ве-

щества расплавляют в тигле, а затем, опуская термопару в расплав-

ленные вещества, фиксируют изменения т. э. д. с. (или темпера-

туры); для этого на кривой охлаждения (или нагрева) отмечают

температурную остановку. Значение т. э. д. с, отвечающее этой

остановке, соответствует температуре затвердевания (плавления)

взятого вещества.

Наряду с градуировкой по точкам плавления можно выполнять

градуировку по эталонной, т. е. точно выверенной термопаре; горя-

чие спаи

двух

термопар располагают вблизи

друг

друга

в нагревае-

мом блоке — медном или из нержавеющей стали или нихрома.

В потенциометрах (рис. 48) измеряемая т. э. д. с. компенсируется

известной э. д. с. от эталонного или вспомогательного источника (Е

Точность измерений потенциометром достаточно высокая: 0,01—•

Соли

имеют

меньший тепловой эффект кристаллизации, чем

металлы.

Таблица

ВЕЩЕСТВА,

ПРИМЕНЯЕМЫЕ

ДЛЯ

ГРАДУИРОВКИ

ТЕРМОПАР

Вещество

Ртуть

Вода

50,5% KNO

49,5%

NaNO

Олово

Свинец

Цинк

35% ВаС1

+ 65%

СаС1

Сурьма

NaCl

ВаС1

Серебро

Золото

CaSO

Температура

затвердевания

или

плавления,

°С

—38,39

218

231,85

327,30

419,40

600

630

801

940

960

1063

1360

Материал тигля

Стекло

Любой

Нержавеющая сталь

Графит, фарфор

Нержавеющая сталь

Графит, фарфор

Нержавеющая сталь

Графит, фарфор

Платина

Предохранительное

покрытие

Без

покрытия

Графит,

уголь

Без

покрытия

Графит,

уголь

Без

покрытия

Графит,

уголь

Без

покрытия

* При использовании солей указанные температуры определяют по точкам плавления я

0,001 мВ. Важно, что в этом

случае

не играет роли величина электро-

сопротивления

всей цепи термопары. Однако измерения с помощью

потенциометра

требуют

значительного времени для компенсации

измеряемой

э. д. с. Время, в течение которого проходится вся шкала,

составляет несколько секунд,

даже

при использовании автомати-

ческих записывающих потенциометров, например типа ЭПП09 или

ЭПП09М.

Автоматический потенциометр (рис. 49) может отмечать графи-

чески на диаграммной ленте показания шести термопар. Он состоит

из

трех

цепей — измерительной, силовой и сигнализационной. Из-

мерительная цепь представляет мостовую

схему,

в одной из диаго-

налей

которой включены термопара и электронный усилитель. В мо-

стовой

схеме

(рис. 48) две ветви — рабочая (см. сопротивления R,

#р> %б)

вспомогательная (см. сопротивления R

, Rl). Сво-

бодные концы термопары и медное сопротивление (RJ термостати-

руются, и поэтому их температура всегда одинакова. Изменение со-

противления

учитывает, что при изменении температуры в вер-

шине

моста (см. АВ на рис. 48) появляется добавочное напряжение

того или иного знака, компенсирующее изменение э. д. с, вызванное

изменением

температуры свободного конца.

Принцип

работы автоматического потенциометра заключается

следующем. Э. д. с. термопары подается через электронный усили-

тель, играющий роль нуль-гальванометра (см. рис. 48), к вершинам

измерительного моста. Если изменяющаяся величина э. д. с. больше

* Сопротивление R

служит

для установки точного значения рабочего тока.

Рис. 49.

Принципиальная

схема многоточечного

потенциометра

ЭПП-09

Г27В

прибора

<jor

Яг

f»,

Выключатель

синхоонпогп

двигателя

чувствительности усилителя, то к последнему подается сигнал в виде

некоторого постоянного напряжения, преобразуемого в переменное

(f = 50 Гц). После усиления это напряжение подается к асинхрон-

ному двигателю РД-09, который вращается

до тех пор, пока

существует

сигнал, вызван-

ный

нарушением равновесия системы. На-

правление вращения зависит от знака сигна-

ла. На оси двигателя укреплен рычаг, пере-

мещающий контактный ролик реохорда в сто- /

рону равновесия системы. Двигатель связан \_

с печатающей кареткой, на которой закреп-

Рис. 50. Схема устройства вибратора (шлейфа) магнитоэлек-

трического осциллографа:

/ •— постоянный магнит; 2 — нить вибратора; 3 — блок;

4 — зеркальце; 5 — клеммы

5 6 05

Рис. 51. Схема девятивибраторного осциллографа:

а — схема; 6 — ход световых лучей в осциллографе; / — осветитель; 2 — линза; 3 — диафрагма;

4 — призма; 5 — вибратор (шлейф); 6 — призма; 7 — барабан; 8 —

экран;

9 — линза; 10 —

диафрагма; // — линза; 12 — барабанная кассета

лен указатель, перемещающийся вдоль градусной шкалы, показывая

температуру горячего спая. Печатающая каретка в этот момент равно-

весия

делает

на диаграммной ленте отпечаток, указывающий темпе-

ратуру

и номер термопары.

i, 6 7 8 9

-Л

/ / / I/I /-

,—I

генератору

a J

разоертш

Рис. 52. Устройство электроннолучевого осциллографа:

а —

схема

электроннолучевой трубки: / — подогрев; 2 — катод; 3 — электронная пушка (об-

ведена пунктиром); 4 — имитирующая поверхность; 5 — фокусирующий цилиндр; 6 — первый

(фокусирующий) анод; 7 — второй анод; 8 и 9 — горизонтально и вертикально отклоняющие

пластины, к которым подводится измеряемое напряжение; 10 — флюоресцирующий

экран;

// — управление фокусировкой; 12 — управление яркостью; б — принципиальная

схема

ос-

циллографа:

— блок питания; В — блок трубки; С — блок фокусировка —яркость; D — блок смещения

луча;

Е —

трубка;

/ и // — к генератору развертки; R

— потенциометр 150 кОм; R

—

50 кОм; R, — 18 кОм; R

— 50 кОм; R, — сопротивление 15 кОм; R

— 30 кОм; «,, — 30 кОм;

R,2

— 220 кОм; R

— 100 кОм; R

— 1,5 мОм; «

— 10 мОм; С

—электролитический

конденсатор 10 мкФ; С

— конденсатор 1 мкФ; C

— 0 5 мкф- С

, — 0 5 мкФ

Милливольтметры зеркальные или стрелочные отличаются зна-

чительной инерционностью подвижной системы и поэтому непри-

годны для регистрации быстроизменяющейся температуры, например

при

нагреве металлов токами высокой частоты или при закалке.

В этом

случае

применяют осциллографы: магнито-электрические (или

вибраторные) и электроннолучевые (или катодные).

В первом из них регистрирующим звеном является

упруго

натя-

нутая металлическая петля (вибратор), к которой подводится измеряе-

мое напряжение (или э. д. с). При взаимодействии поля, создавае-

мого в этой петле, с магнитным полем мощного постоянного магнита,

зазоре которого и расположена петля, последняя поворачивается

на

определенный

угол,

зависящий от величины термотока (или

э.

д. с). Этот

угол

поворота фиксируется оптическим методом

(рис.

50). Время установки на показание в подобном приборе 5 мс.

помощью вибраторов с выбираемыми различными электрическими

механическими (частотой собственных колебаний) характеристи-

ками

можно измерять изменения тока (или э. д. с.) различной вели-

чины

и при разных

частотах

их изменения.

В некоторых конструкциях осциллографов установлено несколько

вибраторов; это позволяет наблюдать или фиксировать несколько

одновременно протекающих процессов (рис. 51).

помощью электроннолучевого (катодного) осциллографа реги-

стрируются наиболее быстрые изменения температуры при нагреве

или

охлаждении, а также быстрые изменения неэлектрических пара-

метров процессов; их можно изучать по изменению электрических

величин от различных датчиков — сопротивления, индукционных,

емкостных и т. д. Изменяющаяся э. д. с. создает в осциллографе сме-

щение

потока электронов по вертикали на флюоресцирующем экране

(рис.

52). В этом

случае

можно регистрировать процессы, протекаю-

щие

быстрее чем за 10~

-г-10~

с.

МЕТОД

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО

ТЕРМИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

Дифференциальный

анализ применяют для определения темпера-

тур превращения, сопровождающихся выделением (или поглоще-

нием)

небольшого количества тепла. Это имеет место при изучении

превращений

в твердом состоянии или при определении

температур

кристаллизации

очень малых количеств вещества. Чем меньше тепло-

вой

эффект превращения, тем ниже точность термического анализа

относительно больше влияние различных неравномерностей на-

грева

и охлаждения.

При

дифференциальном термическом анализе возможно обеспе-

чить высокую точность и, как

будет

показано ниже (с. 100), отделить

случайные колебания

температур

от вызываемых протеканием истин-

ных фазовых превращений.

При

дифференциальном термическом анализе используется одно-

временный

нагрев или охлаждение эталонного и испытуемого веще-

ства как в твердом, так и в расплавленном состоянии. В этом

случае

момент превращения возникает разность

температур

между

образ-

Рис. 53. Схема дифференциальной термопары:

а — электроды из одного материала; б — электрод

из

другого

материала; 7\ и Т

— горячие спаи

Рис. 54. Схема изменения температурш (7, °С)

разности температур (AT, °С) при нагреве и ох-

лаждении эталона и образца, претерпевающего

фазовое превращение

Образец

эталон

Образец

йТ,°С

Рис. 55. Схема пирометра Н. С. Курнакова:

/ — образец; 2 — эталон; 3 — электропечь;

4 — дифференциальная термопара; 5 — обыч-

ная

термопара; 6 — магазин сопротивления;

7 и 8 — зеркальные гальванометры; 9 — лин-

за; 10 — барабан с фотобумагой; // — авто-

трансформатор; 12 — редуктор; 13 — электро-

двигатель; 14 и 15 — осветители гальваномет-

ров;

16 •— система термостатирования холод-

ных спаев термопар