Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Необходимость повышения точности контроля температуры и неравномерности температурного поля в печах и термокамерах 9
1.1 Температурное поле в термокамерах и печах 9
1.2 Требования к неравномерности температурного поля в термокамерах и печах для механических испытаний материалов 10
1.3 Требования к неравномерности температурного поля при термообработке сталей 14
1.4 Требования к неравномерности температурного поля при термообработке алюминиевых сплавов 22
1.5 Требования к контролю температурного поля в термокамерах, используемых в полупроводниковой промышленности 28
Выводы 32
Глава 2 Метрологические характеристики термопреобразователей 34
2.1 Термоэлектрические преобразователи температуры 34
2.2 Погрешности термопар, вызванные их термоэлектрической неоднородностью 36
2.3 Погрешности, обусловленные нестабильностью температуры свободных концов термопары 59
Выводы 65
Глава 3 Способы повышения точности измерения неравномерности температурного поля в печах и термокамерах 66
3.1 Расчет погрешностей контроля неравномерности температурного поля двумя термопарами 66
3.2 Уменьшение погрешности измерения неравномерности температурного поля индивидуальной градуировкой термопар 71
3.3 Конструктивные способы повышения точности измерения неравномерности температурного поля в печах и термокамерах 73
3.4 Трехэлектродная термопара 77
3.5 Дифференциальный метод измерения разности температур 80
3.6 Термоэлектрическая неоднородность проволок термопар 84
Выводы: 93
Глава 4 Исследование термоэлектрической неоднородности термоэлектрода термопары на примере алюмелевой проволоки 95
4.1 Задача экспериментального исследования термоэлектрической неоднородности термоэлектрода термопары на примере алюмелевой проволоки 95
4.2 Экспериментальное исследование локальной термоэлектрической неоднородности алюмелевого провода, применяемого для изготовления термопар 97
4.3 Экспериментальное исследование протяженной термоэлектрической неоднородности алюмелевой проволоки, применяемой для изготовления термопар 108
4.4 Математическая обработка результатов эксперимента и их графическая интерпретация
4.5 Анализ полученных результатов 118
Глава 5 Многопроволочные термоэлектроды, характеристики их термоэлектрической неоднородности и применение много проволочных термоэлектродов в дифференциальных термопарах 120
5.1 Целесообразность применения много проволочных термоэлектродов в термопарах
5.2 Термоэлектрическая неоднородность многопроволочных термоэлектродов термопар 120
5.3 Модификации дифференциального метода контроля неравномерности температурного поля в термокамерах и печах 131
Выводы: 136
Глава 6 Исследование термоэлектрической неоднородности многопроволочного термоэлектрода термопары на примере термоэлектродов, составленных из отрезков алюмелевой проволоки 137
6. 1 Экспериментальное исследование протяженной термоэлектрической неоднородности многопроволочных термоэлектродов, составленных из отрезков алюмелевой проволоки и влияния на точностные характеристики термопар замены однопроволочных термоэлектродов многопроволочными .137
6.2 Математическая обработка результатов эксперимента с многопроволочными термоэлектродами и их графическая интерпретация 138
Заключение 143
Список использованных источников .' 146
Приложения 154
- Требования к неравномерности температурного поля в термокамерах и печах для механических испытаний материалов
- Погрешности термопар, вызванные их термоэлектрической неоднородностью
- Уменьшение погрешности измерения неравномерности температурного поля индивидуальной градуировкой термопар
- Экспериментальное исследование локальной термоэлектрической неоднородности алюмелевого провода, применяемого для изготовления термопар
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время новые технологии в термической обработке металлов и сплавов, в первую очередь цветных, предъявляют все более высокие требования к точности измерения и поддержания температуры, к контролю неравномерности температурного поля в термокамерах и печах. Отдельной, бурно развивающейся областью производства, в которой предъявляются повышенные требования к контролю температуры, неравномерности температурного поля или к поддержанию заданной конфигурации такого поля, являются технологии выращивания кристаллов для изготовления новых видов инструментов или для изготовления полупроводниковых приборов и микросхем. При этих процессах допустимая погрешность контроля неравномеоности температурного поля зачастую не превышает величины ±0,5 С.
Наиболее распространенными методами измерения температуры являются термоэлектрические методы [55], особенно в области температур выше 200 С. Однако промышленные термопары в настоящее время уже не обеспечивают необходимой точности измерения.
Так, например, при термообработке алюминиерых сплавов допустимая погрешность поддержания температуры в печи составляет при некоторых технологических процессах всего ±1,5 С, в то время как термопары общепромышленного применения из неблагородных металлов в соответствии с ГОСТР 8.585-2001 «Термопары. Номинальные статические характеристики» имеют допустимую погрешность от ±2,5 С до ±17,5 С.
Применение прецизионных термопар из сплавов на основе платины, обеспечивающих более высокую точность измерения, в промышленных условиях неоправданно дорого. Технологически трудоемким, дорогостоящим и нецелесообразным процессом является индивидуальная градуировка каждой термопары из неблагородных металлов, так как в процессе эксплуатации термоэлектрические свойства термопары изменяются и такую градуировку необходимо периодически повторять [86].
5 Одной из причин относительно большой погрешности измерения температуры и распределения температурного поля с помощью приборов, в которых в качестве первичного преобразователя температуры используется термопара, является термоэлектрическая неоднородность проволок электродов термопар. Серьезное внимание исследованию вопросов термоэлектрической неоднородности проволок, применяемых для изготовления термопар, уделялось в работах Б. К. Брагина, Б. П. Павлова, Л. Н. Гордова, И. П. Куритных, Е. М. Зайцевой, В. А. Холмянского, Ю. А. Скрипника, А. И. Химичева, Л. И. Лижевской, Л. П. Сермягиной, Г. И. Константинова, Т. М. Гольдберга, Л. П. Сермягина, регулярно эти исследования проводятся во ВНИИМ им. Менделеева. .
Основным методом измерения разности температур и неравномерности температурного поля в настоящее время является метод нескольких термопар, при использовании которого термоэлектрические неоднородности термоэлектродов термопар не позволяют с достаточной точностью измерять малые разности температур. На разработку методов повышения точности контроля температуры, а также неравномерности и заданной конфигурации температурного поля термоэлектрическим методом и направлена данная работа,
Целью работы является, разработка методов, позволяющих при использовании стандартных термочувствительных проволок, предназначенных для применения в термопарах, значительно повысить точность контроля температуры и ее распределения в термокамерах и печах. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исследовать и провести анализ термоэлектрической неоднородности термочувствительных проволок; разработать методы контроля разности температур в термокамерах и печах, позволяющие минимизировать влияние термоэлектрической неоднородности в условиях их промышленной эксплуатации; экспериментально исследовать распределение термоэлектрических неоднородностей по длине термочувствительных проволок; экспериментально исследовать возможность компенсации термоэлек- трической неоднородности термочувствительных проволок разработанными методами.
Указанные задачи решены на примере алюмелевой проволоки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
В термочувствительных проволоках, применяемых в термопарах, установлены термоэлектрические неоднородности следующих видов; протяженная — монотонная и периодическая, локальная — случайная и периодическая.
Разработаны методы контроля неравномерности температурного поля, позволяющие существенно уменьшить составляющую погрешности, вносимую в результат измерений за счет протяженной: монотонной и периодической термоэлектрических неоднородностей путем применения в термопарах двухпрово-лочных термоэлектродов, а также составляющую, вносимую за счет локальной неоднородности, путем применения многопроволочных термоэлектродов.
Разработаны конструкции трех видов дифференциальных термопар с многопроволочными термоэлектродами на основе предложенных методов.
Методы и средства исследования.
При выполнении работы применялись аналитические методы, методы корреляционного и регрессионного анализа, математической статистики и теории точности.
Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных стендах с помощью универсальных электроизмерительных приборов. Обработка экспериментальных данных проводилась в программных пакетах Microsoft Excel, Mathsoft MathCAD, OrigineLab Origine, Waterloo Inc. Maple.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением математических методов и фундаментальных положений физики и электротехники, соответствием полученных расчетных результатов имеющимся экспериментальным данным и проведением большого объема экспериментальных исследований.
На защиту выносятся следующие положения.
В термочувствительных проволоках, применяемых в термопарах, установлены термоэлектрические неоднородности следующих видов: протяженная — монотонная и периодическая, локальная — случайная и периодическая.
Методы контроля неравномерности температурного поля, позволяющие существенно уменьшить составляющую погрешности, вносимую в результат измерений за счет протяженной: монотонной и периодической термоэлектрических неоднородностей путем применения в термопарах двухпроволочных тер-моэлектродов, а также составляющую, вносимую за счет локальной неоднородности, путем применения многопроволочных термоэлектродов.
Конструкции трех видов дифференциальных термопар с многопроволочными термоэлектродами на основе предложенных методов.
Практическая значимость. Разработанные методы позволяют существенно повысить точность контроля неравномерности температурного поля в термокамерах и печах. Разработанные конструкции нескольких видов дифференциальных термопар с многопроволочными термоэлектродами позь-оляют уменьшить погрешности измерения температур и обеслечивают высокую точность контроля неравномерности или заданной конфигурации температурного поля в печах и термокамерах.
Реализация работы. Положения диссертации, выносимые на защиту, были проверены экспериментально в лабораторных условиях. Предложены рекомендации по изготовлению дифференциальных термопар с многопроволочными термоэлектродами. Результаты работы переданы на предприятие и внедрены в учебный процесс.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Диагностика веществ, изделий и устройств», (Орел, 1999 год),
Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», (Новочеркасск, 2000 год),
Второй Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», (Нижний Новгород, 2000 год),
Первой региональной научно-практической интернет-конференции «Энер-го- и ресурсосбережение - XXI век», (Орел, 2001 год),
III Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», (Новочеркасск, 2002 год),
Региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», (Воронеж, 2002 год).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ и получен патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 211 страницах машинописного текста, иллюстрируется 64 рисунками (в том числе в приложении — 18), 65 таблицами (в том числе в приложении — 39), состоит из введения, б-ти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 111 наименований.
Требования к неравномерности температурного поля в термокамерах и печах для механических испытаний материалов
Термокамера является составной частью испытательного комплекса и предназначена для создания заданных параметров, среды и температурного режима испытуемого объекта в процессе исследования его свойств [62]. Вместе с измерительным и регулирующим устройствами термокамера образует устройство — замкнутую систему автоматического регулирования. Главным классификационным признаком является температурный диапазон испытаний. В соответствии с этим признаком температурные камеры классифицируют следующим образом (рисунок 1.1): камеры для испытаний при температурах: положительных — термокамеры; отрицательных — криока-меры, криостаты; положительных и отрицательных — термокриокамеры. Термокамеры, в свою очередь, условно делятся на низкотемпературные (до 400 С) и высокотемпературные, называемые обычно электрическими печами. Последние охватывают диапазон до 1500 (воздушные), 1800 (инертный газ) и 3000 С (вакуумные)[44]. Важными классификационными признаками являются метод температурного воздействия или метод нагрева испытуемого объекта и испытательная среда. Они определяют конструктивные особенности температурных камер и характер вспомогательного оборудования, а также конструкционные материалы и материал нагревательных элементов. Наряду с функциональной автономностью температурная камера конструктивно связана с испытательной машиной или прибором. Учитывая это, камеры группируют в зависимости от вида испытаний: камеры к разрывным и универсальным машинам; к машинам для испытаний на ползучесть, длительную прочность, релаксацию; к машинам для испытаний на усталость при растяжении, сжатии или знакопеременных циклах растяжения-сжатия; к машинам для испытаний на усталость при изгибе (чистом, консольном, вращающихся образцов); к машинам для испытаний на ударную прочность.
Существуют и другие виды испытаний при температурах, отличных от 20 С: измерение твердости, испытания на трение и износ, технологические и специальные испытания. Деление по видам испытаний менее конкретно, и в ряде случаев одной температурной камерой могут быть укомплектованы машины различного назначения Температурные камеры в совокупности с системами измерения и регулирования температуры должны отвечать определенным требованиям, учитывающим уровень температурного воздействия, их конструктивное соответствие испытательной машине и метрологические показатели. При испытаниях в термокамеру или печь обычно помещают образец, имеющий удлиненную форму, и интересуются температурой не среды: окружающей образец, а температурой самого образца. Поэтому проводят контроль температуры поверхности образца контактным методом, путем прижатия к его поверхности термопреобразователя, или бесконтактным методом, например по тепловому излучению образца каким-либо пирометрическим методом. Ниже перечислены требования к камерам для испытаний при положительных температурах в воздушной среде [44]. При испытаниях металлов и сплавов на растяжение при повышенных температурах [35] допускаются отклонения температуры от заданного значения до ± 3 С при нагреве до 600 С, до ± 5 С при температуре 600 - 900 С и ± 8 С для диапазона температур 900 - 1200 С Класс точности приборов для измере 13 ния температуры должен быть не ниже 0,5 %.
Причем при длине образца менее 50 мм контроль температуры его поверхности может проводиться в одной точке, если температура распределена равномерно по длине образца, посередине его расчетной длины, при длине о 50 до 100 мм в двух точках на границах расчетной длины и при длине более 100 мм -в трех точках — на границах и посередине. Спай термопары должен касаться образца и быть изолирован от радиационного нагрева. Максимальная продолжительность нагрева до температуры испытания 1 ч. Длина цилиндрических образцов 25 — 100 мм (расчетная), 76—ПО мм (полная); плоских 20—80 мм (расчетная), 135—260 мм (полная).
При испытаниях на ползучесть и длительную прочность [32] [24] допустимые отклонения температур ± 3 С при температуре меньше или равной 600 С; ± 4 С при температуре от 600 до 900 С и ± 6 С при температуре от 900 до 1200 С. Число термопреобразователей равно двум при длине менее 100 мм и трем при длине более 100 мм. Максимальная продолжительность нагрева до температуры испытания 8 ч. Расчетная длина цилиндрических образцов 25— 100 мм [24] и 100, 150 и 200 мм [32]; плоских 100 мм [32].
При испытаниях на ударный изгиб [34] требования к точности температуры более низкие: допустимая погрешность измерения температуры ±5 С при нагреве до 600 С и ±8 С при нагреве от 600 до 1000 С.
Температурное поле внутри образцов должно быть равномерным, поэтому предусматривается выдержка их в термокамере при заданной температуре, обеспечивающая их прогрев. Так как образцы, как правило, имеют относительно небольшое сечение, то это время составляет десятки минут, но не более 1 часа.
Погрешности термопар, вызванные их термоэлектрической неоднородностью
Рассмотрим более подробно причины, которые могут вызывать разброс характеристик однотипных термопар и их изменение во времени. Следует отметить, что характеристики всех шести типов термопар были едиными для всех стран-членов СЭВ, а для термоэлектрических преобразователей ПП, ПР и ХА соответствуют рекомендациям" МЭК, т.е. являются едиными для всех стран, причем буквенные обозначения типов термопар являются международными.
Для технических измерений выпускается широкая номенклатура термоэлектрических термометров различного конструктивного оформления с различной длиной погружаемой части. Кроме того, выпускаются как платиновая, так и платинородиевая термоэлектродные проволоки бухтами с длиной проволоки в каждой бухте не менее 50 м. Однородность проволок такова, что термопары, образуемые из отдельных отрезков одной и той же бухты, развивают ТЭДС при температурах концов отрезков 0С и 100С различающиеся на-не более чем 7 мкВ для платинового термоэлектрода и 10 мкВ для платинородиевого [75].
Технические термоэлектрические термометры выпускаются взаимозаменяемыми. Для этой цели бухты платиновой и платинородиевой проволок на заводе-изготовителе комплектуют попарно так, чтобы статические характеристики изготовленных из них термометров были близки к номинальным.
В действовавшем с 1 января 1986 г. по 1 июля 2002 г. ГОСТ 3044-84 «Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики»! 1] впервые характеристики термопар типа ПП и ПР были приведены в соответствие со стандартом СЭВ 1059-78 и со стандартами DIN (ФРГ), BS (Англия) и ASTM (США). Поэтому для характеристик термопар при температурах 1000 С, 1300 С и 1600 С были установлены более высокие значения отклонений ТЭДС 35,48 и 96 мкВ, чем в ранее действовавшем стандарте [30]. В температурном эквиваленте это соответствовало разбросу значений измеряемой температуры на 3,4 К и 8 К.
Стандартом [31] предусматривалось нормирование погрешности ТЭДС, в то время как в ГОСТР 8.585-2001 «Термопары. Номинальные статические характеристики» [36], вступившем в силу с 1 июля 2002 года, предусматривается нормирование погрешности температуры (таблица 2.2). В целом новый стандарт [36] полностью соответствует международной температурной шкале 1990 года (МТШ-90, ITS-90) и стандартам Международной электротехнической комиссии (МЭК) [66] [67] [68] [69]. Стандартизованы новые типы термопар, по 39 лучившие распространение в последнее время (таблица 2.2) — термопары пла-тина-платинородий с характеристикой преобразования типа R, термопары хро-мель-константан с характеристикой типа Е, термопары нихросил-нисил с характеристикой типа N, термопары железо-константан с характеристикой типа J. Единственными типами термопар, характеристики которых отличаются от рекомендаций МЭК остаются термопары вольфрам-рений-вольфрам-рений. Для этого типа термопар введены характеристики преобразования типов А-1, А-2 и А-3, несколько отличающиеся от характеристик международной термопары с аналогичным названием вольфрам-рений-вольфрам-рений, но типа С. Это объясняется несколько меньшим содержанием рения в отрицательном электроде термопары в соответствии с [36]: 20% по российскому стандарту против 30% по стандарту МЭК. Кроме того [36] предусматривает введение классов точности для термопар. Однако в этом стандарте, в отличие от [31], допустимая погрешность нормируется не во всем диапазоне преобразования (см. таблицу 2.2). В связи с этим в дальнейшем анализируются погрешности наиболее распространенных типов термопар как по [31], так и по [36]. Температуры как в [31], так и в [36] приводятся в градусах шкалы Цельсия.
Статическая характеристика термопар ПП нелинейная. В интервале температур 0—300С средний коэффициент преобразования термопары составляет АЕ/АТ = 7,7мкВ/К, а в интервале 1500-1600 С АЕ/АТ = 12 мкВ/К. Поэтому в температурном эквиваленте допускаемое отклонение термопар 1111 от номинальных статических характеристик в интервале 0-300 С составляет приблизи 40 тельно ±1 К, а в интервале 1500-1600 С — соответственно ± 3,6 К.
Используя формулы (2.6) и (2.7) можно рассчитать предельно допустимую величину погрешности ТЭДС вновь изготовленной термопары типа 1111, а используя градуировочные таблицы для этого типа термопар, например из стандарта [36], можно определить их термоэлектрическую чувствительность при разных температурах и привести предельно допустимую погрешность измерения неравномерности температурного поля, заданную величиной ТЭДС к температурному эквиваленту.
Уменьшение погрешности измерения неравномерности температурного поля индивидуальной градуировкой термопар
Погрешность измерения разности температур двумя термопарами может быть значительно уменьшена путем проведения индивидуальной градуировки каждой из используемых термопар. Такая градуировка требует специального оборудования, которым располагают далеко не все предприятия, где прозодит-ся контроль температурных полей в печах или термокамерах. Кроме того, трудоемкость процесса индивидуальной градуировки резко сказывается на стоимости технологического процесса производства.
В лабораторных условиях при индивидуальной градуировке термопар и измерении стационарных температурных полей погрешность измерения разности температур может быть уменьшена до 0,5-1 С. Как указывалось ранее погрешности измерения температур термопарами, приведенные в стандартах, относятся только ко вновь изготовленным термопарам, так как в материалах проволок термопар протекают процессы, приводящие к изменению термоэлектрической чувствительности этих проволок в процессе их эксплуатации. У различных экземпляров однотипных термопар градуировочные характеристики в процессе эксплуатации изменяются различным образом и первоначальная погрешность, достигнутая за счет индивидуальной градуировки термопар, постепенно возрастает. Таким образом индивидуальная градуировка не является при длительной эксплуатации термопар эффективным методом уменьшения погрешности. Кроме того, выше было сказано, что индивидуальная градуировка эффективна при измерении стационарных полей. В действительности в печах и термокамерах приходится контролировать нестационарные температурные поля, главным образом соответствующие нагреву печи. При этом, из-за того, что конструктивные элементы арматуры термопары имеют значительную теплоемкость, изменение температуры этих элементов несколько запаздывает по сравнению с изменением температуры среды в месте установки датчика. В связи с этим фактически измеряются не температуры тех областей печи, в которых установлены термопары, а температуры самих термопар. Указанная инерционность особенно велика у термопар в металлических кожухах. Из-за отсутствия строгой идентичности кожухов у применяемых термопар, что объясняется допусками на конструктивные размеры кожухов и различием теплотехнических характеристик их материалов, тепловая инерционность термопар в кожухах не 73 одинакова. Это приводит к тому, что термопара с большей тепловой инерционностью кожуха нагревается в печи медленнее, чем термопара с кожухом, обладающим меньшей тепловой инерционностью. Таким образом, к ошибке измерения разности температур, обуславливаемой различием характеристик термопар, добавляется ошибка, обусловленная различием инерционности термопар.
Для уменьшения погрешности от инерционности термопар в печь или термокамеру вставляют зонд, представляющий собой длинную трубку, заваренную на конце, которая проходит через все контролируемые температурные зоны печи или термокамеры. В этой трубке устанавливаются термопары таким образом, что в каждой контролируемой зоне находится рабочий спай одной из указанных термопар. Так как при этом все термопары находятся в трубке с одинаковым диаметром, изготовленные из однородного, как предполагается материала, то инерционности таких термопар должны быть близки друг другу. Однако при этом не учитывается теплопроводность стенок трубки, в результате чего распределение температуры внутри трубки может не соответствовать распределению температуры в печи или термокамере.
Для измерения неравномерности температурного поля в термокамерах и печах, как указывалось выше, обычно используется способ, при котором :в ряде точек рабочего пространства термокамеры или печи устанавливаются отдельные термопары, с помощью которых измеряются температуры в контролируемых точках и, затем, по полученным значениям температур рассчитывается неравномерность температурного поля. Если температурное поле внутри термокамеры должно быть неравномерным, как, например, в технологических установках для выращивания объемных монокристаллов полупроводниковых материалов, то число устанавливаемых термопар может достигать значительного количества [108]. При этом в указанных технологических установках с цилиндрической зоной нагрева термопары подразделяются по назначению. Тер 74 мопары, рабочие спаи которых смещены по оси цилиндра, измеряют изменение температуры вдоль этой оси, которая задана технологическим процессом, а термопары, рабочие спаи которых находятся в одной плоскости, нормальной к оси цилиндра, служат для контроля осевой симметрии температурного поля технологической установки, то есть с их помощью контролируют равномерность температурного поля,
В большинстве существующих систем управления рассматриваемыми технологическими установками измерение и индикация температуры проводятся с помощью встроенных термопар, которые обеспечивают измерение температуры каждого отдельно взятого нагревательного элемента в установке чаще всего на его внешней поверхности. Данная информация используется для формирования управляющего воздействия и управления нагревателями. Однако истинный профиль температур внутри нагревательного канала, имеющий первоочередное значение для установки требуемых параметров технологического процесса выращивания кристаллов, остается неизвестным. Это приводит к большим временным и материальным затратам при экспериментальном подборе технологических режимов методом проб и ошибок на этапе отработки технологии.
Существуют два основных метода контроля реального профиля температуры внутри нагревательного канала — динамический и статический. В первом термопара перемещается по оси или радиусу окружности в зоне нагрева, снимая распределение в координатах «перемещение - температура». Этот метод отличается простотой, универсальностью и точностью измерения равномерности температурного поля в указанной выше нормальной к оси камеры плоскости при движении термопары по окружности вокруг оси камеры. Эта повышенная точность объясняется тем, что во всех контролируемых точках измерение температуры проводится одной и той же термопарой и, хотя погрешность измерения самой температуры может быть значительной, измерение равномерности температурного поля имеет высокую точность. Однако при этом можно более или менее точно зафиксировать лишь стационарные (установившиеся) распре 75 деления температур при очень медленном перемещении термопары. Поэтому измерения этим методом занимают значительное время.
При использовании статического метода вместо перемещаемых единичных термопар используется специально спроектированный измерительный зонд. Конструкция зонда по размерам и теплофизическим параметрам в максимально возможной степени имитирует реально используемый ростовой контейнер с загрузкой. Внутри зонда стационарно устанавливается множество датчиков температуры, причем их количество и расположение выбирается из условия получения полной картины распределения теплового поля по всему рабочему объему ростового контейнера. Таким образом, измерение сводится к последовательному опросу датчиков. При этом обеспечивается достаточно высокая точность фиксации распределения поля температуры, как в установившемся (режим температурной выдержки), так и в динамическом (нагрев или охлаждение) режимах работы нагревательного устройства, но для обеспечения этой точности требуется индивидуальная градуировка термопар или, как это будет показано ниже, изготовление термопар последовательно из одного и тиго же куска проволоки, используемой в качестве электрода термопары.
Этот метод измерения обеспечивает определенное повышение точности измерения при измерении профиля температуры в установках с нестационарным (перемещаемым во времени по оси установки) тепловым полем. Процесс измерения в многоканальном приборе легко автоматизируется, что сокращает время измерения.
Экспериментальное исследование локальной термоэлектрической неоднородности алюмелевого провода, применяемого для изготовления термопар
Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 4.1. Экспериментальная установка представляет собой алюмелевый испытуемый термоэлектрод 1, с которым контактирует наконечник 2, изготовленный из хромеля. На наконечнике размещен нагревательный элемент 3, который питается от источника переменного напряжения 4. Нагревательный элемент и источник питания позволяет регулировать температуру наконечника от комнатной до 150—170С. К наконечнику приварены проводник 5, изготовленный из копеля и проводник 6 изготовленный из хромеля. Измерительные приборы 7 и 8 подключаются таким образом, что прибор 7 измеряет ТЭДС, генерируемую термопарой хро-мель-копель, состоящей из проводников 5 и 6, а прибор 8 измеряет ТЭДС, генерируемую термопарой хромель-ал юмель, состоящей из испытуемого термоэлектрода 1 и хромелевого термоэлектрода 6. В связи с низкой теплоемкостью термоэлектродов и их относительно малым сечением температура в точке контакта наконечника 2 с испытуемым проводником практически равна температуре наконечника, а на расстоянии 3—4 мм от точки контакта температура испытуемого термоэлектрода практически равна температуре окружающей среды. Таким образом, при температуре наконечника около 100С на длине проводника 3 мм создается градиент температуры порядка 30-35С/мм, что позволяет получить информацию о локальной термоэлектрической чувствительности термоэлектрода. Перемещая испытуемый термоэлектрод 1, можно измерить генерируемую ТЭДС и вычислить локальную термоэлектрическую чувствительность термоэлектрода в различных точках, а также получить ее зависимость от длины испытуемого термоэлектрода.
Сглаживание (фильтрация) полученной зависимости, а также статистический анализ разностей между иеотфильтрованными и отфильтрованными данными, показывает, что после исключения наиболее высокочастотной составляющей зависимости приведенной интегральной термоэлектрической чувствительности от длины термоэлектрода, в отличие от протяженной неоднородности, не приводит к существенному уменьшению среднего квадратическо-го отклонения приведенной интегральной термоэлектрической чувствительности.
Полученные результаты показывают, что с одной стороны локальная термоэлектрическая неоднородность может привести к значительно большей погрешности измерений температуры с помощью термопары, чем неоднородность протяженная, с другой стороны большое количество гармоник с близкими по величине амплитудами позволяет представить зависимость изменения термоэлектрической чувствительности по длине проводника в виде информационного сигнала, содержащего существенные искажения, которые, в свою очередь, согласно известной теореме Шеннона достаточно хорошо компенсируются путем многократного повторения сигнала. Таким образом, можно сделать вывод о том, что предлагаемые в главе 3 методы повышения точности измерения температуры и контроля неравномерности распределения температурного поля в термокамерах и печах, путем применения дифференциальных термопар с многопроволочными термоэлектродами, будут достаточно эффективны и при компенсации локальных неоднородностей.
Затем все 65 отрезков проволок располагались параллельно друг-другу так, что сваркой были соединены начала всех отрезков проволок (точка D). Сваренные концы термоэлектродов термопары были размещены приблизительно в центре рабочего объема печи. Проводники изолировались друг от друга двухканальной керамической соломкой диаметром 2 мм. Все термоэлектроды были выведены из рабочего пространства печи через специальный вывод диа . 109 метром 14 мм. Место вывода термоэлектродов из печи герметизировалось огнеупорной замазкой на основе окиси бария и термоизолировалось с помощью асбестовых листов и минеральной ваты. В качестве измерительного прибора Е использовался цифровой вольтметр В2-39, имеющий основную приведенную погрешность измерения 0,004%. Температура в печи стабилизировалась с помощью системы автоматического регулирования (САР), входящей в комплект поставки печи. До начала измерений печь выдерживалась в течение 15 минут после фиксации САР момента достижения заданной температуры.
Температура в лабораторном помещении составляла 20С, температура в печи последовательно устанавливалась 170С, 270С, 370С, 470С, 570С, 670С, 770С, 870С, 970С и 1070С.
При исследовании прибор Е поочередно подключался к термопарам, образованным отрезком хромелевой проволоки В и одним из отрезков алюмелевой проволоки CI — С64. Таким образом, при каждой из указанных температур измерялись значения ТЭДС 64 термопар. Результаты измерений приведены в третьей колонке таблица 4.4, 4.5, 7.4 — 7.21.
Для каждой температуры результат измерений каждой термопарой из хро-мелевого термоэлектрода В и алюмелевого термоэлектрода С1 — С64 интерпретировался как результат измерения одиночной термопарой.
