I ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОПАР ДЛЯ

ЗАМЕРА ТЕМПЕРАТУРЫ

Задача исследования некоторых технологических операций, таких, как гидродробеструйная обработка поверхностей деталей, заливка антифрикционного слоя подшипников скольжения высокофорсированных дизелей, литье, механическая обработка, сварка, пайка, ионно-плазменное напыление деталей машин, приборов и аппаратуры и другие выходят за рамки, очерченные законом Гука и сплошь и рядом приходится рассматривать вопросы связанные с поверхностным пластическим деформированием. При решение подобного рода закон Гука теряет свою силу и прямая пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями описывается по более сложной упругопластической зависимости. Изучение механики поверхностного пластического деформирования поверхностей и установление количественных связей между режимами последнего и напряженно-деформированным состоянием обработанных поверхностным пластическим деформированием поверхностей деталей составляет предмет исследования важного технологического направления, так как аналитически учесть факторы, влияющие на формирование поверхностных слоев сложно. Однако разработка основ расчета с приемлемой, для практики их использования точностью является одной из актуальных проблем теории и практики технологии поверхностного пластического деформирования.

Технологические процессы механической обработки, литья, сварки, пайки, ионно-плазменного напыления, гидродробеструйного упрочнения, ультразвуковой обработки и так далее, формируют в поверхностных слоях деталей машин, приборов и аппаратуры наряду с микрогеометрией, глубиной и степенью упрочнения неоднородное силовое ноле начальных остаточных напряжений, вызывающих при изготовлении деталей коробление, усталостные трещины. При этом основанием возникновения начальных остаточных напряжений при технологической отделочно-упрочняющей обработке служат пластическая деформация, локальный нагрев, микроструктурные и фазовые превращения. С одновременным воздействием силового нагружения и нагрева, в материале деталей усиливается процесс ползучести и, как следствие, релаксация начальных остаточных напряжений.

Проследить последовательно этапы формирования неоднородного силового поля начальных остаточных напряжений очень сложно, так как эта задача не имеет ни теоретического, ни экспериментального решения. Имеющиеся немногочисленные теоретические разработки базируются на определении начальных остаточных напряжений в режиме насыщения, то есть на таком этапе процесса, дальнейшее продолжение которого практически не изменяет напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя.

Тема моего дипломного проекта - оценка материалов разнородной упругости с позиций современных методов векторной энергетики. В качестве материала разнородной упругости я буду рассматривать термопару. Термопара- датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Действие термопары основано на эффекте термоэлектричества. Температура — один из важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека.

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Г.Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цели протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным

элементом которого является термопара - два проводника из разнородных материалов соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термо ЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рисунок 1), образующих часть одной и той же цепи.

Рисунок 1 - Термоэлектрический эффект

Термо ЭДС термопары обусловлена тремя причинами. Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой в спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличия градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный ноток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фотонов — квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фотоны сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термо ЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару,

Зависимость напряжения от температуры нелинейна, однако в небольшом диапазоне температур термо ЭДС пропорциональна разности температур спаев Т1 и Т2: ЭДС-8ГГ2-Т1К (1), где S- коэффициент Зеебека.

При постоянной температуре свободного конца термоэлектродвижущая сила зависит только от температуры рабочего конца термопары. Такая зависимость позволяет использовать термопары для измерения температуры после предварительной градуировки. Термопары, как правило, градуируют при температуре свободного спая t0=0°С Градуировкой, или характеристикой термопары, называют зависимость между термоэлектродвижущей силой и температурой горячего спая при температуре свободных концов 0°С. Принцип действия термопары иллюстрируется следующим рисунком (рисунок 2). Если температуры спаев различаются, и температура одного из спаев известна (например, измерена с помощью термометра или терморезистора), то температуру второго спая (то есть измеряемую температуру) можно найти из уравнения (1). Для того, чтобы упростить процесс измерения температуры с помощью термопары, температуру холодного спая можно застабилизироватъ например, опустив холодный спай в ванночку со льдом (рисунок 3). Однако применение компьютера совместно с системой сбора данных делает эту процедуру излишней, поскольку температура холодного спая изменяется в небольших пределах, и поэтому применение даже недорогого терморезисторного датчика позволяет получить хорошие результаты с помощью программной компенсации температуры холодного спая.