Какие условия кроме нагрева необходимо обеспечить для получения спая

Обновлено: 02.07.2024

Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.

Вопрос экспертуЗачем нужен вольтметр при подборе термопары?Вольтметром измерить контактную разность потенциалов не удастся, однако на вольт-амперной характеристике она себя проявит, так например она проявляет себя в транзисторе и в диоде на p-n переходе.

Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.

Дополнительный материал: Как смастерить лабораторный блок питания самостоятельно.

Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.

Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.

Принцип работы термопары.

Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной. Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.

Чем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Читать далее Металлоискатель пират своими руками подробная инструкция. Читать далее Что такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения. Читать далее

Так и работают термопары. Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека. Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.

К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.

Принцип работы

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Как работает термопара.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Устройство термопары.

Конструкция устройства

Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:

бескорпусные термопары;
термопары с защитным кожухом.

Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары. Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара типа J.

Холодный спай

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору. В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры. Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Термопара газовой плиты.

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Из чего состоит термопара.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Схема подключения термопары

Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
Подключение с помощью компенсационных проводов;
Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.

Способы измерения температуры при помощи термопар

При измерениях следует определится, что Вы ставите в приоритет — оптимизацию для простоты или точности и гибкости.

Оптимизация для простоты

Суть в включении в схему измерения усилителя AD8495, специализированного на термопарах типа К. Выбор этого варианта не требует написание программы и имеет простой тракт сигнала.

Диапазон температуры измерительного спая

Диапазон температуры эталонного спая

Точность при 25°С

±3°С (группа А) ±1°С (группа С)

Оптимизация для точности и гибкости

Тут мы имеем для измерения малых напряжений термопары схему со сверхточным АЦП и измерение температуры спая высокоточным термодатчиком. Можно использовать с термопарами J-, K- и Т- типа. Управление видеться от микроконтроллера.

Диапазон температуры
измерительного спая

Диапазон температуры эталонного спая

Погрешность измерений

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

состоит из следующих составных частей:

случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

погрешность контрольной аппаратуры.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
ТЖК – железо-константановые (тип J);
ТМКн – медь-константановые (тип T);
ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
ТХКн – хромель-константановые (тип E);
ТХК – хромель-копелевые (тип L);
ТМК – медь-копелевые (тип M);
ТСС – сильх-силиновые (тип I);
ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

И – один спай, изолированный от корпуса;
Н – один соединённый с корпусом спай;
ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
ИН – два спая, один из которых заземлён;
НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Плюсы и минусы устройства

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.

Удлинительные провода

Бездиффузный спай обеспечивает создание соединения без изменения физико-химических свойств паяемого металла, поэтому он имеет наибольшее значение при соединении чистых металлов, полупроводников с металлами, то есть при создании соединений, в которых необходимо обеспечить сохранение физических свойств материалов в зоне спая. Например, при пайке полупроводников с металлами механизм взаимодействия припоя с монокристаллическим кремнием носит локальный, дислокационный характер, взаимодействие начинается в местах выхода на поверхность физических микродефектов, образующих активные центры. С увеличением температуры пайки или времени выдержки бездиффузионный спай превращается в растворно-диффузионный.

Смачивание, растекание, заполнение сборочного зазора припоем, химическая эрозия паяемого металла, образование прослоек химических соединений на границе паяного шва с паяемым металлом, развитие пористости в шве, охрупчивание паяемого металла под действием расплава припоя, температура распайки паяного шва.

Характеристика и условия образования спаев

Лекция 3

Спай– переходной слой, который образуется в результате смачивания при температуре пайки и последующего физико– химического взаимодействия на границе раздела разнородных фаз: твердого паяемого металла, расплава припоя и газовой среды.

Физико-химическое взаимодействие паяемого металла и расплава припоя - это многостадийный процесс, который сопровождается изменением состава и свойств жидкой и твердой фаз.

Основные характеристики совместимости паяемого металла и припоя при пайке следующие:

Возможность образования спая между паяемым материалом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение.

Для образования спая необходимым и достаточным является смачивание поверхности паяемого металла расплавом припоя, что определяется возможностью образования между ними химических связей.

В зависимости от природы взаимодействующих металлов и условий пайки, требований к свойствам паяных соединений и учитывая физико – химические, технологические, конструкторские и эксплуатационные факторы, возможное создание таких спаев: бездиффузионного; растворно-диффузионного; контактно-реакционного; диспергированного; спая сращивания; металло-неметаллического.

Условием образования бездиффузионного спая является сокращение времени контакта жидкого и твердого металлов до значений, меньших периода ретардации диффузионных процессов :

где Тn и Тсм – соответственно температура пайки и смачивания припоем паяемого металла; τ_n – длительность контакта твердого и жидкого металлов при пайке; τ_р – период ретардации.

Смачивание паяемого металла припоем создает условие для растворно-диффузионных процессов по границе взаимодействия. Скорость процесса взаимодействия между паяемым металлом и припоем зависит от интенсивности переноса входящих в их состав компонентов в зону спая.

Растворно-диффузионный спай образуют металлы с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состоянии, либо с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, образующие эвтектики или химические соединения. Условия образования растворно-диффузионного спая:

где Т_пл.пр, Т_пл.ом – температуры плавления соответственно припоя и паяемого металла. τ_u.k – длительность изотермической кристаллизации во всем объёме зоны сплавления.

При образовании растворно-диффузионных спаев возможно появление непрерывных и ограниченных твердых растворов, эвтектик и интерметаллидных соединений.

Характер взаимодействия паяемого металла и припоя зависит от условий и режима пайки, следствием чего является исключительно большое разнообразие строения, структур и свойств растворно-диффузионных спаев.

Растворение паяемого металла в расплаве припоя создает условия для выделения избыточной фазы при затвердевании расплава, поэтому признаком растворно-диффузионного спая является наличие прикристаллизованного слоя определенного состава.

Спай, который образуется при диффузионной пайке в результате изотермической кристаллизации, называется спаем сращивания.

Образование спая сращивания происходит при развитии растворно-диффузионных процессов. Условия образования спая сращивания:

При изотермической кристаллизации при температуре пайки образуется прослойка постоянного состава в результате выделения из расплава зоны сплавления на поверхность паяемого металла твердой фазы; этот вид спая создает непрерывную структурную связь в зоне шва.

В результате протекания диффузионных процессов при значительной выдержке при температуре пайки при определенном пересыщении расплава компонентами паяемого металла происходит выделение из него твердого раствора до тех пор, пока в зоне сплавления не останется жидкой фазы и не произойдет полная изотермическая кристаллизация.

Дальнейшая выдержка при температуре пайки ведет к диффузионному выравниванию состава образовавшихся в шве сплавов. Продолжительность образования спая сращивания возможно рассчитать с учетом природы взаимодействующих материалов.

Сокращение времени образования спая сращивания может быть достигнуто при термоциклировании. Действие термоциклирования обусловлено интенсификацией диффузионных процессов, ускорение диффузии в твердой фазе возможно при скоростном нагреве, создании дефектной структуры поверхностных слоев паяемых металлов. Для исключения образования интерметаллидов температуру пайки выбирают выше температуры плавления интерметаллидов.

Контактно-реакционным спаем называется прослойка сплава переменного состава, образующаяся на границе с основным металлом в результате контактного плавления.

Контактно-реакционный спай образуется:

- при пайке разнородных металлов, образующих эвтектические сплавы или непрерывные твердые растворы с минимумом на кривой ликвидус; при определеном сочетании паяемых металлов процесс идет без припоя и при температуре ниже точек плавления взаимодействующих металлов;

- при пайке металлов, образующих с прослойкой третьего металла ограниченные твердые растворы с эвтектикой или непрерывные твердые растворы с минимумом на кривой ликвидус.

Условия образования контактно-реакционного спая:

Т_k.n.min – температура плавления наиболее легкоплавкой в данной системе эвтектики или твердого раствора.

В зависимости от природы взаимодействующих металлов спай может иметь эвтектический состав, либо быть твердым раствором.

В практике пайки стремятся максимально ограничить толщину прослойки второго металла при соединении однородных металлов, поскольку образующаяся при контактном плавлении эвтектическая составляющая хрупкая. С этой целью для нанесения второго металла часто используют гальваническое покрытие или термовакуумное напыление - уменьшение прослойки способствует увеличению прочности соединения.

Минимальная толщина прослойки зависит от способности контактирующих металлов образовывать жидкую фазу, от температуры пайки, от свойств оксидной пленки на поверхности металлов.

Направление процессов при формировании контактно-реакционного спая прямо противоположно направлению процессов, протекающих при формировании растворно-диффузионного спая. Увеличение времени выдержки приводит не к исчезновению жидкой фазы, как это имеет место при образовании растворно-диффузийного спая и спая сращивания, а к возрастанию ее количества.

Диспергированный спай образуют металлы с отсутствием взаимной растворимости. При определенном перегреве ( в 4-5 раз) припой приобретает свойства поверхностно-активного вещества (ПАВ), под влиянием адсорбционного эффекта поверхностная энергия паяемого металла понижается до неизмеримо малых величин, в результате адсорбционного понижения прочности поверхности паяемого металла под действием перегретого расплава припоя происходит ее диспергирование на частицы коллоидных размеров; при длительных выдержках зазор может полностью перекрываться дисперсными частицами, в результате в спае образуется непрерывная структурная связь.

Условия образования спая:

Изменение количества жидкой фазы в шве при образовании диспергированных спаев может быть только в результате диффузии атомов припоя по границам зерен и блоков и дефектам структуры. Одновременно в результате адсорбционного понижения прочности основного металла под действием расплава припоя происходит его диспергирование. Размер дисперсных частиц определяется физико-химическими свойствами основного металла и расплава.

Металло-неметаллический спай – переходная зона, которая образуется при пайке в процессе взаимодействия неметалла (керамики, графита) с металлом (припоем).

Технологические процессы пайки металлов и неметаллических материалов используют при пайке металлов с керамикой, стеклом, кварцем, полупроводниками, графитом. Процессы получения спая между металлами (припоями) и оксидными системами неметаллических материалов можно разделить на три группы:

Первая группа включает технологические процессы, при которых спай получается в результате введения расплавленного припоя непосредственно на поверхность неметаллического материала; в качестве добавок к металлическим припоям используют химически активные к кислороду металлы – Ti, Zr, Al, Si, Мп. При применении металлических припоев в соединении паяемого металла с неметаллом образуется два вида спаев: металлический, между паяемым металлом и припоем, и металло-неметаллический, между припоем и неметаллическим материалом.

Вторая группа включает технологическиепроцессы соединения металлов с неметаллами при предварительном нанесении на неметаллический материал металлического слоя. В этом случае перед пайкой на поверхность стекла или керамики путем вжигання (серебра, платины), металлизацией, восстановлением окислов или другими способами наносят слоя металла. После этого процесс пайки принципиально ничем не отличается от обычного, применяемого при соединении металлов.

Третья группа технологических процессов обеспечивает соединения металлов с неметаллами путем применения переходных слоев из стекла, глазури, эмали. Стеклоприпои представляют собой смеси окислов металлов с определенным коэффициентом температурного расширения. Основными факторами, определяющими получение прочного спая, является природа сил связи и характер химического взаимодействия.

На сегодняшний день термопары получили наибольшее распространение среди датчиков измерения температуры. Использование термопар в большом диапазоне температур более эффективно по сравнению с такими решениями, как термопреобразователь сопротивления (ТПС), термистор, или интегральный датчик температуры (ИДТ). Термопары используются, например, в автомобилях или бытовой технике. Вдобавок, их надежность, стабильность и малое время отклика делают термопары наилучшим выбором для многих видов оборудования.

Однако и в применении термопар есть некоторые сложности, в первую очередь — значительная нелинейность характеристик. К тому же, ТПС и ИДТ обычно обладают лучшими характеристиками по чувствительности и точности, что важно для прецизионных решений. Выходной сигнал термопары имеет очень малый уровень и требует усиления или применения цифровых преобразователей высокой разрядности для обработки сигнала.

Но, несмотря на все перечисленные недостатки, низкая стоимость, легкость применения и широкий температурный диапазон до сих пор являются причинами популярности термоэлектрических преобразователей.

Основные сведения о термопарах

Термопары относятся к дифференциальным измерителям температуры. Конструктивно они представляют из себя два термоэлектрода из разных металлов, один из которых принимается за положительный, другой – за отрицательный. В таблице 1 представлены наиболее распостраненные типы термопар, используемые металлы или сплавы и температурный диапазон для каждого варианта. Каждый тип термопар обладает уникальными термоэлектрическими свойствами в определенном для них температурном диапазоне.

Таблица 1. Основные характеристики термопар

Тип	Положительный Металл/Сплав	Отрицательный Металл/Сплав	Температурный диапазон, °С
T	Медь	Константан	-200…350
J	Железо	Константан	0…750
K	Хромоникелевый сплав	Алюмель	-200…1250
E	Хромоникелевый сплав	Константан	-200…900

При соединении двух металлов (пайкой или сваркой) получают два перехода (спая), как показано на рис. 1а, разность потенциалов образуется в цепи вследствие разности температур спаев. Это явление называется эффектом Зеебека, он состоит в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Эффект Зеебека обратен эффекту Пельтье, заключающемуся в преобразовании электрической энергии в тепловую, что применяется в частности в термоэлектрических охладителях. На рис. 1 показано, что выходное напряжение Vвых — это разница между потенциалами холодного и горячего спаев. Т.к. Vгор и Vхол образуются за счет разности температур спаев, Vвых является функцией этой разности. Коэффициент, равный отношению разности потенциалов к разности температур, известен как коэффициент Зеебека.

Рис. 1а. Напряжение в цепи в результате эффекта Зеебека

Рис. 1б. Наиболее распространенная схема реализации термопары

На рисунке 1б показана наиболее часто употребляемая схема использования термопары. Здесь использован третий металл (т.н. металл-посредник), что дает дополнительный спай. В этом примере каждый термоэлектрод соединен с медным проводом. Пока между ними нет разности температур, металл-посредник не оказывает никакого влияния на выходное напряжение. Эта схема позволяет использовать термопару без отдельного опорного спая. Напряжение Vвых так и остается функцией от разности температур холодного и горячего спаев, определяемой коэффициентом Зеебека. Однако до тех пор, пока измеряется именно разница температур, для определения актуальной температуры горячего спая необходимо знать температуру холодного.

Самый простой метод — поддержание температуры холодного спая на уровне 0°C. В этом случае Vвых = Vгор, и измерение напряжения дает непосредственную информацию о температуре горячего спая.

Раньше этот вариант считался стандартом при использовании термопар, однако сейчас обеспечение такого охлаждения холодного спая зачастую непрактично. Для получения результатов измерения в абсолютных величинах необходимо знать температуру холодного спая. Выходное напряжение термопары должно быть компенсировано с учетом влияния потенциала холодного спая при ненулевой температуре. Это и называется — компенсация холодного спая.

Выбор устройства для измерения температуры холодного спая

Данные о температуре холодного спая можно получить с помощью различных датчиков и устройств. Среди самых распространенных — резистивный температурный преобразователь (РТП), термистор и интегральный датчик температуры (ИДТ). Каждое из этих устройств имеет свои достоинства и недостатки, поэтому применение того или иного датчика определяется условиями конкретной задачи.

Для устройств с высокими требованиями по точности лучшим выбором будет калиброванный платиновый РТП с его широким температурным диапазоном. Однако это решение – дорогостоящее.

Термисторы и ИДТ – недорогая альтернатива РТП в случаях, когда требования к точности не столь строгие. У термисторов рабочий температурный диапазон шире, однако ИДТ используются чаще из-за линейности характеристик. Корректировка нелинейности термисторов может требовать слишком много ресурсов от микроконтроллера устройства. ИДТ обладают превосходной линейностью характеристик, но узким диапазоном измерений.

Итак, измеритель температуры холодного спая выбирается, исходя из требований к системе. На выбор оказывают влияние точность, диапазон измерения температур, линейность характеристик и стоимость.

Решение числовых задач

Линейная аппроксимация программным путем популярна, т.к. необходима память только для хранения заранее известных коэффициентов полинома. Недостаток этого метода в том, что время измерения зависит от скорости расчета полиномов высокой степени. Время на расчет растет с возрастанием степени полинома, что обычно происходит при увеличении диапазона измерений прибора. Для температур, при измерении которых требуется использование полиномов высоких степеней, применение таблиц может оказаться более эффективным и точным.

До того, как появилось программное обеспечение современного уровня, аналоговая линеаризация достаточно часто применялась для преобразования напряжения в температурные данные (в дополнение к ручному поиску данных в таблицах). Этот аппаратный метод основывался на использовании аналоговых схем для корректировки нелинейности сигнала термопары. Точность зависела от реализации аналоговой корректировки. Такой подход до сих пор используется в мультиметрах, принимающих сигнал с термопар.

Схемы устройств

Приводимые ниже примеры демонстрируют три метода компенсации холодного спая с использованием термочувствительных интегральных микросхем. Во всех примерах требования к устройствам достаточно скромные — узкий диапазон температур холодного спая (от 0°C до 70°C и от -40°C до 85°C), и точность не более нескольких разрядов. Схема 1 содежит ИДТ, монтируемый непосредственно у холодного распая, с целью определения его температуры. На схеме 2 представлен вынесенный температурный датчик, выполненный в виде транзистора, включенного по схеме диода и установленного на термопару. На схеме 3 показано использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП) со встроенной компенсацией холодного спая. Во всех примерах используется термопара типа К, изготовленная из хромеля и алюмеля.

Рис. 2. Термочувствительная ИМС (MAX6610)

Пример 1

На схеме, показанной на рис. 2, термочувствительная ИМС (MAX6610) измеряет температуру холодного спая. ИДТ располагается в непосредственной близости от спая.

16-битный сигма-дельта АЦП (MX7705) преобразует низковольтный сигнал с термопары в выходной цифровой сигнал разрядностью 16 бит. Интегрированный усилитель с программируемым коэффициентом усиления позволяет увеличить разрешающую способность АЦП, что часто необходимо при работе с малыми напряжениями, генерируемыми термопарами. Интегральный датчик температуры, помещенный в непосредственной близости от соединителей термопары, измеряет температуру около холодного спая. Этот метод основан на допущении, что температура микросхемы в этом случае будет близка к температуре холодного спая. Выходное напряжение с датчика на холодном спае подается на канал 2 АЦП. Опорное напряжение термодатчика (2,56 В) должно быть развязано с напряжением питания микросхемы.

Работая в биполярном режиме, АЦП преобразует отрицательный и положительный уровни напряжения с выхода термопары, поступающие на канал 1. Канал 2 работает в однополярном режиме, АЦП преобразует выходное напряжение с интегральной микросхемы MAX6610 в данные, используемые впоследствии в работе микроконтроллера. Выходное напряжение интегрального датчика температуры изменяется пропорционально изменению температуры холодного спая.

Для определения абсолютной температуры горячего спая, вы должны прежде знать температуру холодного. Для этого используйте таблицы перевода температуры холодного спая в соответствующее ей термоэлетрическое напряжение. После установки коэффициента усиления встроенного усилителя, учтите это напряжение в оцифрованном сигнале с термопары. После этого переведите полученное значение в температуру, снова используя таблицы. Результат и будет абсолютным значением температуры горячего спая. Таблица 2 показывает результаты измерений при изменении температуры холодного спая в диапазоне от -40°C до 85°C и постоянной температуре горячего, равной 100°C. Точность измерения в основном зависит от точности ИДТ и температуры холодного спая.

Таблица 2. Измерения для схемы на рисунке 2

Температура холодного спая, °С	Измеренная температура горячего спая, °С
Изм. 1	-39,9	+101,4
Изм. 2	0,0	+101,5
Изм. 3	+25,2	+100,2
Изм. 4	+85,0	+99,0

Пример 2

Как показано на рис. 3, ИДТ на выносном диоде используется для измерения температуры холодного спая. Этот диод может быть смонтирован непосредственно на контактах термопары. MAX6002 обеспечивает опорное напряжение 2,5 В для АЦП. В отличие от предыдущего примера, датчик с использованием удаленного диода не должен обязательно находиться в непосредственной близости от термопары, для измерения используется диодно-включенный транзистор типа NPN. Этот транзистор монтируется непосредственно в месте соединения выходов термопары и медных выводов. ИДТ в свою очередь преобразует сигнал с транзистора в цифровой: на канал 1 АЦП поступает выходное напряжение термопары и преобразуется в цифровой сигнал. Канал 2 не используется и заземлен. Опорное напряжение АЦП 2,5 В обеспечивает отдельная интегральная микросхема.

Рис. 3. ИДТ с использованием удаленного диода

Таблица 3 показывает результаты измерений при изменении температуры холодного спая в диапазоне от -40°C до 85°C и постоянной температуре горячего, равной 100°C. Точность измерения в основном зависит от точности ИДТ с удаленным диодом и температуры холодного спая.

Таблица 3. Измерения для схемы на рисунке 3

Температура холодного спая, °С	Измеренная температура горячего спая, °С
Изм. 1	-39,8	+99,1
Изм. 2	-0,3	+98,4
Изм. 3	+25,0	+99,7
Изм. 4	+85,1	+101,5

Пример 3

На рис. 4 представлена схема с использованием 12-битной АЦП с интегрированным термочувствительным диодом, который преобразует температуру окружающей среды в напряжение. Используя это напряжение и напряжение непосредственно с термопары, ИМС вычисляет компенсированную температуру горячего спая. Эти данные в виде цифрового сигнала поступают на цифровой выход микросхемы. Гарантированная температурная погрешность данного устройства ±9 LSB (младший значащий бит АЦП) в диапазоне температур горячего спая от 0 до 700°C. Хотя это устройство имеет широкий диапазон измеряемых температур, измерения ниже 0°C невозможны.

Рис. 4. Применение АЦП с интегрированной схемой компенсации

В табл. 4 представлены результаты измерений, полученные с помощью схемы на рис. 4 при изменении температуры холодного спая от 0 до 70°C при сохранении постоянной температуры на горячем, равной 100 °C.

Таблица 4. Измерения для схемы на рисунке 4

Новый драйвер Ethernet с коррекцией предыскажений

Компания Maxim Integrated Products представила MAX3984 — одноканальный драйвер Ethernet с коррекцией предыскажений на выходе и компенсацией на входе, способный работать с быстродействием 1…10,3 Гбит/сек. Устройство компенсирует затухания в медных линиях связи (оптоволоконные каналы 8,5 Гбит/сек, Ethernet 10 Гбит/сек), позволяя достичь длины линии до 10 м при использовании провода 24 AWG. Драйвер предусматривает выбор четырех уровней коррекции предыскажений и возможность коррекции на входе. Это позволяет компенсировать потери сигнала при его передаче по проводникам длиной до 10 дюймов на текстолите FR-4.

MAX3984 также поддерживает SFP-совместимую функцию обнаружения потери сигнала (LOS) и имеет вход отключения передачи TX_DISABLE. Возможность выбора размаха выходного сигнала позволяет оптимизировать электромагнитные излучения и потребляемую мощность. MAX3984 выпускается в 16-выводном корпусе TQFN (3х3 мм) без содержания свинца и рассчитан на работу в пределах температурного диапазона 0…85°C.

При температурах 500—800° С стекло размягчается и становится пластичным. В диапазоне этих температур, в зависимости от марки стекла, производится его обработка.

При температурах 500—800° С стекло хорошо смачивает разогретый металл, и после остывания образуется прочное и герметичное соединение.

Основным критерием для оценки сваривания металла со стеклом служит согласованность их относительных температурных коэффициентов линейного расширения.

Относительный температурный коэффициент линейного расширения металла в зоне рабочих температур должен быть близок к относительному температурному коэффициенту линейного расширения стекла.

На практике создание качественных спаев металла со стеклом сводится к двум типам: согласованному и несогласованному.

Согласованными называются спаи стекла с металлом, в которых коэффициенты линейных расширений материалов равны или близки друг к другу во всем интервале температур от комнатной до температуры спаивания. Такими парами являются:

Несогласованными называются спаи стекла и металла с резко различными коэффициентами линейных расширений.

Предотвращение возникновения температурных напряжений опасной величины в этих спаях достигается, как правило, особой конструкцией металлических деталей.

Этим деталям придаются такие конфигурации и размеры, что они могут свободно деформироваться, следуя за деформацией стекла. К таким парам относятся:

Детали из ковара перед пайкой отжигаются в среде водорода или вакууме при температуре 1100—1200° С, выдерживаются при этой температуре в течение 10—20 мин а затем медленно охлаждаются в течение 2 ч.

После отжига, перед пайкой, детали из ковара подвергаются легкому равномерному окислению в пламени горелки при температуре около 900° С в течение 3 мин. Тонкая окисная пленка является слоем, непосредственно сплавляющимся со стеклом.

Медные трубки, диски и проволока соединяются со стеклом как в окисленном виде (отожженная медь), так и в остеклованном состоянии, получаемом в пламени горелки с помощью буры.

Молибденовые стержни, проволока и лента чаще всего остекловываются по наружной поверхности, при этом деталь предварительно отжигается при температуре 1100° С и травится в кислотах. Хорошие молибденовые спаи характеризуются цветом от светло-коричневого до шоколадного. Черный цвет спая свидетельствует о переокислении молибдена и часто не является вакуумноплотным.

Вольфрамовая проволока перед впаиванием в стекло обезжиривается и обезгаживается. Для обезгаживания вольфрам подвергается нагреванию до 1100—1300° С в восстановительном пламени газовой горелки в течение 5—10 мин. Хороший спай после охлаждения характеризуется цветом от красно-коричневого до соломенно-желтого.

Никелевые детали применяются редко из-за образования при спаивании со стеклом пузырей. Обезгаживание производится нагревом до 800—850° С в течение 5— 15 мин. Нагрев предпочтительнее осуществлять в вакууме.

Согласованные рантовые спаи технологичнее. Для увеличения прочности спая диаметры стеклянных трубок подбираются с учетом теплового расширения металлической трубы при нагреве. Лучше других зарекомендовали себя спаи типа 2, 3 и 4* (рис. 1). Края металлических деталей при обработке должны быть хорошо сглажены и закруглены радиусом 0,2 мм.

Дисковые или торцовые спаи при хорошем согласовании значений коэффициента линейного расширения и плавном закруглении краев диска при толщине металла 0,5—3 мм получаются надежными в спаях типа 19, 20 и 24 (см. рис. 1).

Если коэффициент линейного расширения металла значительно больше коэффициента линейного расширения стекла, то толщина дисков принимается в пределах 0,25—0,35 мм

Одним из лучших металлов для несогласованного спая со стеклом служит медь благодаря ее высокой пластичности, хорошей адгезии окисной пленки, образующейся в месте спая со стеклом, и высоким значениям электро- и теплопроводности.

Технологически простыми и надежными в эксплуатации при температуре до 200° С являются двухсторонние и наружные спаи (при высокочастотном индукционном нагреве) типа 7, 9, 10 и 12 (см. рис. 1).

Конические лезвия типа 10 и 11 применяются обычно при диаметрах соединяемых деталей до 25 мм, а цилиндрические — типа 7, 8, 9 и 12— до 60 мм.

Спаи типов 7—12 имеют низкую прочность лезвия вследствие малой толщины его стенки, кроме того, при длительных циклических тепловых нагрузках выше 200° С в лезвии возможно появление усталостных трещин.

Спаи типа 15, 17 (см. рис. 1), применяются в электровакуумных приборах, где прочность такого спая удовлетворяет требованиям работы прибора.

Тонкая стенка в этих конструкциях способна несколько деформироваться при расширении стекла, поэтому эти спаи более надежны в эксплуатации, однако при изготовлении они более трудоемки.

Спай типа 18 применяется для изготовления больших смотровых окон или колпаков к вакуумным камерам. Помимо такого типа спая, большое распространение для небольших диаметров (до 50 мм) получили конструкции типа 25, 26, 28, 29 (см. рис. 1).

Обычно окошечные спаи изготовляются по способу согласованного спая (ковар— молибденовые стекла, высокохромистая сталь — свинцовое стекло и т. д.), но в случае необходимости они могут изготовляться и из несогласующихся материалов Примерами согласованных спаев являются конструкции типа 25, 27,28, 30 (см. рис. 1).

Читайте также: