8.4. Термоэлектрический метод контроля.

О бласти использования термоэлектрического метода контроля металлических материалов весьма разнообразны. Так, с помощью этого метода определяют дефекты в слитках, производят экспресс-анализ химического состава стали в процессе плавки, определяют толщину гальванических покрытий, осуществляют сортировку деталей по маркам стали, контролируют качество термически обработанных деталей машин и механизмов.

Термоэлектрический метод основан на эффектах, связанных с возникновением в металлах термоэлектродвижущей силы. ТермоЭДС возникает в месте контакта между нагретым до определенной температуры металлом (электродом) и металлическим объектом контроля, температура которого отличается от температуры электрода.

Рис. 47

Природа возникновения ЭДС при контактной разности потенциалов U заключается в том, что при соприкосновении двух металлических пластин, изготовленных из различных металлов, например, Pb и Ni, которые имеют различные значения энергии Ферми W₁ и W₂ и работы выхода электронов φ₁ и φ_2, при температуре выше абсолютного нуля, из одной пластины в другую через зону контакта начнет перемещаться в определенном направлении некоторое количество электронов (от Ni к Pb) в соотношении, зависящим от значений φ₁ и φ₂ . Плотность потока электронов через точку контакта зависит от соотношения их потенциалов W и полной Е энергий: Е₀ = Е + W_s , где Е – кинетическая энергия электронов, а W_s = W₁ – W₂ – разность потенциальной энергии электронов в обеих пластинах.

Известны три эффекта, обуславливающих явление термоэлектричества: Зеебека, Пельтье и Томсона. Эффект Зеебека, используемый в термоэлектрическом контроле сплавов, состоит в следующем. Если две проволочки из, например, свинца и никеля соединить в контур (рис. 47а) и место контакта (спая) нагреть до 100⁰С, в контуре потечет ток, который можно зарегистрировать гальванометром. Величина этого тока будет зависеть от природы материалов проволок и температуры на двух концах – холодного у гальванометра (0⁰С) и горячего – у спая (100⁰С).

Все химические элементы - металлы по величине и знаку термоэлектродвижущей силы располагаются в ряд: Bi, Co, Ni, Pd, Al, Mg, Pb, Sn, Zn, Fe.

При этом каждый впереди стоящий металл положителен по отношению к последующему металлу.

Контур, образованный двумя проволоками из различных металлов или сплавов, называется термопарой. Термопары широко используется практике измерения как низких, так и высоких температур.

Зависимость термоЭДС контура от температуры спаев выражается формулой:

Е = а t + b t ² + c t ³ , где Е – термоЭДС, мкВ, t – температура, ⁰С.

а, b, c – величины, характеризующие физическую природу материалов. В ниже расположенной таблице приведены значения термоЭДС (т.э.д.с.) для пар электродов, один из которых – платина, а другой – один из ряда различных металлов.

Из таблицы видно, что величины ЭДС для различных пар электродов изменяются не только величине, но и по знаку. Так, второй электрод из сурьмы по отношению к платине дает значение + 4 мВ, а свинец - - 7.39 мВ. В таком широком интервале значений ЭДС находятся все остальные варианты примененных пар.

П ринципиальная схема приборов для измерения термоЭДС изделий приведена на рис. 48. Здесь используется два электрода, один из которых горячий 1, нагреваемый с помощью специальной обмотки от трансформатора Тр, другой - холодный при комнатной температуре, они прижимаются своими наконечниками к контролируемой поверхности 3, ЭДС, возникающая между электродами и контролируемой поверхностью, регистрируется микровольтметром с системой компенсации (R и источник тока 2).

Рис. 48.

Теперь рассмотрим в качестве примера использование термоэлектрического метода для измерения толщины магнитных и немагнитных покрытий (медного, никелевого, хромового и т.д.) на магнитной или немагнитной основе. Метод основан на использовании разницы в термоэлектрических свойствах покрытия и металлической основы. Чем толще покрытие, тем меньше сказывается на ЭДС покрытия величина ЭДС между покрытием и основой. Сам замер осуществляется с помощью либо двух горячих наконечников, имеющих одинаковую температуру и изготовленных из одинакового материала, либо двух различающихся по термоэлектрическим свойствам наконечников. В этом случае оба наконечника устанавливаются на покрытие. Метод используется для измерения покрытий толщиной до 30-40 мкм.

Другой пример использования термоэлектрического метода для целей производства состоит в сортировке сталей и сплавов по маркам. При этом возможно использование двух принципиальных схем измерения : дифференциальной и простой.

В случае простой схемы измеряют термоЭДС, возникающую в месте контакта контролируемого объекта, имеющего комнатную температуру, с горячим наконечником, температура которого выше температуры объекта.

При использовании схем, в основу которых положен принцип дифференциального контура, измеряют разность термоЭДС, возникающую в местах контакта контролируемого объекта с горячим наконечником и с эталоном.

Применяют три способа реализации показаний термоэлектрического метода: 1) отклонение стрелки, 2) знака термоЭДС, 3) нулевой.

В первом способе используется зависимость угла отклонения стрелки гальванометра от значения термЭДС в месте контакта объект – горячий наконечник.

При втором методе, методе (знака термоЭДС), регистрацию ведут с помощью гальванометра с нулем в центре шкалы. Материал горячего наконечника подбирают таким образом, чтобы при соприкосновении с двумя сортируемыми объектами возникала термоЭДС различных знаков и стрелка гальванометра отклонялась в

Рис.49 разные стороны от нуля.

На рисунке 49 приведен в качестве примера прибор термоэлектрического контроля конструкции автора настоящего пособия. Данный прибор используется для сортировки материалов по маркам, с его помощью можно контролировать фазовый состав шлифованной поверхности инструмента, он позволяет определять толщину гальванических покрытий и решать другие задачи контроля материалов.