Публикации

Ж-л "Измерительная техника", № 1, 2002 г. Каржавин А.В.

Дефектом рабочего спая термопары является наличие в нем микротрещин, непровара, пор, свищей, утонение электродов. Указанные дефекты приводят к преждевременному разрушению рабочего спая термопреобразователя, особенно при воздействии тепловых ударов и при эксплуатации термопар в режиме термоциклирования.

Известны традиционные способы выявления дефектов рабочих спаев:

• внешний осмотр;
• внешний осмотр с применением оптических приборов;
• рентгеновское просвечивание;
• проведение термоударов.

Ни один из вышеперечисленных методов не дает полного представления о наличии и количестве дефектов.

Первые два метода контроля позволяют выявить только поверхностные дефекты спая.

Рентгеновское просвечивание выявляет наличие микротрещин и глубину проплавления электродов в спае, однако, для получения полной характеристики шва и околошовной зоны требуются рентгенограммы шва в 3-4 направлениях при 5-10 кратном увеличении. Использование рентгенографии для дефектоскопии большого количества термопреобразователей требует больших затрат времени, специального оборудования и специально подготовленного помещения.

Применение термоударов [1] для дефектоскопии рабочих спаев термопреобразователей предполагает нагрев и выдержку рабочего спая при температуре 400°С в течение 5 минут с последующим резким охлаждением в воде. На чувствительной аппаратуре ведется запись переходного процесса изменения электросопротивления термопреобразователя. При наличии дефектов в спае процесс охлаждения идет не монотонно, что определяется по выбросам на диаграмме (рис. 1).

Качественный спай	Дефектный спай
Рис. 1. Временная зависимость электросопротивления термопреобразователя при резком охлаждении.

Причины выбросов объясняются резким изменением электросопротивления спая вследствие появления или расширения микротрещин.

Данный способ, помимо своей трудоемкости, вызывает также изменение статической характеристики преобразования термопары, что обусловлено интенсификацией диффузионно-релаксационных процессов в термоэлектродных материалах при скоростях изменения температуры выше 5 К/с.

Все эти методы дают высокую вероятность выявления дефектов только при комплексном применении.

В производстве термопреобразователей дефектоскопия методом визуального и оптического контроля проводится для 100% термопар.

В связи с большими материальными и временными затратами дефектоскопия методом рентгеновского просвечивания применяется только при специальных требованиях к термопреобразователям.

Дефектоскопия методом термоударов проводится на 10% термопреобразователей.

Таким образом, на сегодняшний день вероятность наличия скрытых дефектов в рабочем спае термопреобразователя достаточно высока, и не существует дешевого и эффективного способа выявления дефектов.

Предлагаемый способ диагностики технологических дефектов рабочих спаев термопреобразователей [2] основан на использовании эффекта Пельтье, заключающегося в том, что при протекании постоянного электрического тока через цепь, составленную из разнородных металлов или полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других - поглощение тепла.

Под технологическими дефектами спая понимаются (рис. 2.):

• несплавление термоэлектродов (рис. 2, б);
• утонения зоны сварного шва (рис. 2, в);
• микротрещины и поры в зоне сварного шва (рис. 2, г)

Все указанные дефекты вызывают увеличение электрического сопротивления спая.

а) дефектов нет	б) несплавление термоэлектродов	в) утонение зоны сварного шва	г) микротрещины и поры в зоне сварного шва
Рис. 2. Возможные дефекты в зоне рабочего спая.

При пропускании тока обратной полярности по преобразователю ("+" источника тока соединен с "-" термопары) в самом спае проявляются одновременно 3 тепловых процесса:

• поглощение теплоты за счет эффекта Пельтье;
• выделение теплоты за счет омического нагрева перехода Q_сп;
• подвод (отвод) тепла к спаю от термоэлектродов.

Количество теплоты Пельтье, поглощающееся в спае:

Q_п = I · П · ,

где

Q_п - количество теплоты Пельтье, Дж;
I - величина тока в цепи, А;
П - коэффициент Пельтье для данной пары проводников, В;
- время протекания тока, с.

Одновременно пропускаемый по преобразователю ток вызывает омический нагрев рабочего спая. Количество джоулева тепла, выделяющегося в спае, определяется по формуле

Q_д = I² · · R_сп ,

где

Q_д - количество джоулевой теплоты, Дж;
I - величина тока в цепи, А;
- время протекания тока, с.
R_сп - сопротивление непосредственно спая (перехода), Ом.

Величина подвода (отвода) тепла по термоэлектродам зависит от величины и знака градиента температуры вдоль термоэлектродов в непосредственной близости от спая:

Q_т = q · S = ( / ) · T · S ,

где

Q_т - количество теплоты подводимое (отводимое) к спаю за счет теплопроводности, Дж;
S - сечение проводников, м²;
T - перепад температур в зоне около перехода, K;
- теплопроводность материала термоэлектродов, (B/мK);
- расстояние от источника тепловыделения до перехода, м.

Временная диаграмма процессов в области перехода



Рис. 3. Составляющие теплового процесса в рабочем спае термопреобразователя.

Интегральное количество теплоты, выделившейся в зоне перехода, определяется алгебраической суммой 3-х составляющих (Q_п, Q_д, Q_т), и может быть как больше, так и меньше нуля (рис. 3).

Для заведомо хорошего преобразователя, проверенного всеми доступными методами, можно подобрать величину тока I и длительность токового импульса _и, чтобы суммарное тепловыделение в переходе в момент времени равнялось нулю.

Соответственно не изменится и регистрируемая термо-э.д.с. исследуемого термопреобразователя.

Осциллограмма процесса при номинальной длительности токового импульса и номинальном токе для качественного термопреобразователя представлена на рис. 4.

Рис. 4. Осциллограмма переходного процесса Е() для качественного рабочего спая.
₁ и ₂ - моменты подачи и отключения тока.

Рост термо-э.д.с. (Е) после окончания токового импульса подтверждает наличие подвода тепла от термоэлектродов к спаю.

Как было указано выше, наличие технологического дефекта в рабочем спае вызывает увеличение электрического сопротивления спая за счет внутренних дефектов или утонения зоны шва. Следовательно, при подаче на дефектную термопару токового импульса номинальных параметров за счет увеличения Q_д суммарное тепловыделение в зоне перехода будет больше нуля и, как следствие, вырастет регистрируемая температура рабочего спая.

Осциллограмма процесса при номинальных параметрах токового импульса для дефектной термопары представлена на рис. 5:

Рис. 5. Осциллограмма переходного процесса Е() для дефектного рабочего спая.

Таким образом, для каждого диаметра электродов термоэлектрического преобразователя можно подобрать такие характеристики токового импульса (длительность и сила тока), при которых суммарное количество тепла, выделившегося и поглощенного в качественном рабочем спае за время подачи импульса, равно нулю, что выражается в отсутствии роста температуры рабочего спая термопреобразователя. Любой технологический дефект рабочего спая, вызывающий увеличение омического сопротивления перехода, вызовет нарушение теплового баланса за счет увеличения количества теплоты Джоуля Q_д при подаче номинального токового импульса, что приводит к увеличению температуры рабочего спая термопреобразователя в момент окончания импульса.

Описанный способ реализован и в течение трех лет применяется при выходном контроле термоэлектрических преобразователей, производимых ООО “ПК "Тесей”. Способ защищен патентом РФ на изобретение №2093926 приоритет от 16 апреля 1996г.

Патент № 2093926

Литература:
1. Температурные измерения. Справочник. Издательство “Наукова думка”, 1984.
2. Способ контроля качества рабочего спая термоэлектрического преобразователя. Описание изобретения. Патент №2093926.