Термоэлектрические преобразователи

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана 

А.Е. Смирнов 

 
 

Термоэлектрические преобразователи 

 
 

Методические указания к выполнению домашнего задания 

по курсу «Управление процессами тепловой обработки  

материалов» 

 
 
 
 
 

УДК 621.7-52 
ББК 34.6 
        С50 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 

по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1092.html 

Факультет «Машиностроительные технологии» 

Кафедра «Материаловедение» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом 

 МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 

 
 
Смирнов, А. Е. 

 Термоэлектрические преобразователи : методические указания 

к выполнению домашнего задания по курсу «Управление процессами тепловой обработки материалов». — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 30, [18] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4091-7 

 
Приведены необходимые данные для выполнения домашнего задания 

по курсу «Управление процессами тепловой обработки материалов». Указаны цель и задачи домашнего задания, его содержание, порядок выполнения и форма отчета. Приведены примеры выполнения домашнего задания. 

Для студентов 4-го курса, обучающихся по направлению «Материало
ведение и технологии материалов». Могут быть полезны студентам, обучающимся по другим направлениям, а также инженерно-техническим работникам, занимающимся термическим производством. 

УДК 621.7-52 
ББК 34.6 
 
 
 
 
 
 
 

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

 
 Оформление. Издательство  

ISBN 978-5-7038-4091-7                                             МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

С50 

Введение 

Цель домашнего задания — ознакомить студентов со свойствами стандартных термоэлектрических преобразователей (ТП), 
их конструктивным исполнением и рекомендуемыми областями 
применения. 
При выполнении домашнего задания студент должен решить 
следующие задачи: 
 обосновать выбор оптимального химического состава термоэлектродов стандартных ТП, работоспособных в заданных 
условиях; 
 сконструировать термоэлектрическую цепь, записать и 
провести анализ ее уравнения; 
 выбрать конструктивное исполнение ТП, наилучшим образом отвечающее измерению температуры в заданных условиях. 
В методических указаниях разъясняется ход выполнения задания, а рассмотренные примеры иллюстрируют необходимые 
этапы, на которые следует обратить внимание. 
Для выполнения домашнего задания отводится 20,5 ч, сроки 
выдачи и сдачи задания определяются учебным планом на семестр. Срок выдачи задания — 6-я неделя, срок сдачи — 13-я неделя. 
Домашнее задание способствует: 
 выработке у студентов умения решать практические задачи 
по выбору ТП, работоспособных в заданных условиях, и конструированию термоэлектрических цепей; 
 закреплению имеющихся и получаемых при изучении курса знаний в области измерения температур при термической обработке материалов; 
 расширению кругозора студентов и стимулированию интереса к теоретическим и практическим вопросам термометрии; 
 развитию у студентов навыков самостоятельной работы с 
технической литературой. 
 

СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ 

При выполнении домашнего задания основное внимание следует обратить на выбор типа ТП и конструирование термоэлектрической цепи, а также на объяснение причин неработоспособности ТП или повышенной погрешности вследствие нарушения 
условий их эксплуатации. 
Термоэлектрические преобразователи выбирают с учетом исходных данных: конструктивных особенностей технологического 
оборудования, определяющих условия эксплуатации ТП (температура, характер атмосферы), и требований по допускаемой погрешности измерения температуры. 
В задании рассматриваются стандартные ТП, изготавливаемые в 
соответствии с ГОСТ 6616–94, с номинальными статическими  
характеристиками (НСХ) по ГОСТ Р 8.585–2001 (IEC 60584-1:2013),  
а также стандартные компенсационные и удлинительные провода, 
изготавливаемые в соответствии с ГОСТ 1791–67, ГОСТ 492–2006 и 
ГОСТ 30409–96 (IEC 60584-3:2007). 
Домашнее задание предусматривает выбор типа преобразователя с учетом условий эксплуатации на основе анализа нескольких возможных вариантов. Необходимо сопоставить выбранные 
варианты по погрешности измерения, чувствительности, сроку 
службы, стоимости и определить оптимальный химический состав термоэлектродов преобразователя и подобрать материал 
компенсационных, удлинительных и соединительных проводов 
для термоэлектрической цепи. 
Обязательными для выполнения являются: 
1) анализ условий работы технологического оборудования и 
выбор стандартных преобразователей, работоспособных в заданных условиях, с указанием причин, по которым неработоспособны остальные преобразователи; 
2) сравнительный анализ выбранных вариантов по погрешности измерения, чувствительности, сроку службы, стоимости и 
определение оптимального химического состава термоэлектродов 

преобразователя; подбор материала компенсационных, удлинительных и соединительных проводов; 
3) составление схемы термоэлектрической цепи и вывод ее 
уравнения с обозначением термоэлектродов, компенсационных, 
удлинительных и соединительных проводов, а также температур 
рабочего спая, головки, свободных концов преобразователя; 
4) эскиз конструкции ТП, наилучшим образом отвечающей 
измерению температуры в заданных условиях, с обозначением 
материала защитной арматуры; 
5) приведение основных данных о свойствах выбранного преобразователя: химический состав термоэлектродов, свойства, область применения, преимущества и недостатки. 
В каждом варианте задания предусмотрено краткое введение, 
описывающее наиболее важные требования, предъявляемые к 
ТП, приведена марка или тип технологического оборудования, по 
которым студент может определить характеристики оборудования, от которых зависят условия эксплуатации выбираемого преобразователя. Кроме того, в каждом задании приведено значение 
предельной относительной погрешности, которую должен обеспечивать выбранный тип ТП. 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ 

1. Получить задание и ознакомиться с исходными данными.  
2. Проработать соответствующий раздел лекционного курса [1] 
и материалы лабораторной работы № 1 «Термоэлектрические преобразователи» [2], чтобы иметь представление о свойствах стандартных термоэлектрических преобразователей, об их конструктивных исполнениях и рекомендуемых областях применения. 
3. Ознакомиться с дополнительной литературой, включая справочники по термическому оборудованию, например [3], для сбора 
информации о таких основных режимах работы технологического 
оборудования, как предельная температура его эксплуатации и состав атмосферы. 
4. На основе анализа данных о максимальной температуре эксплуатации и составе технологической атмосферы выбрать стандартные ТП, работоспособные в заданных условиях и проанализировать причины, по которым неработоспособны остальные преобразователи.  

5. Определить оптимальный химический состав термоэлектродов и подобрать материал компенсационных, удлинительных 
и соединительных проводов для термоэлектрической цепи. 
6. Составить план отчета, обработать полученные данные и 
написать отчет. 

ФОРМА И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 

Отчет должен содержать не менее 12–15 страниц формата А4, 
включая титульный лист. На титульном листе указывают фамилию 
и инициалы студента(ки), группу, фамилию и инициалы преподавателя и номер задания. На первой странице отчета целиком приводят 
текст задания. Далее указывают марку или тип технологического 
оборудования и предельные условия его эксплуатации: максимальную температуру и возможный состав атмосферы. 
Отчет должен быть структурирован и содержать разделы в 
соответствии с индивидуальным заданием. 
В первом разделе отчета приводят результаты анализа условий работы оборудования по предельной температуре его эксплуатации и составу технологической атмосферы. 
Сравнивая максимально возможную температуру, которую 
требуется контролировать в технологическом оборудовании tэксп, 
и предельную температуру tпред [4, 5] при длительном применении для стандартных ТП, можно выполнить первичный отбор 
преобразователей. 
Отобранные ТП смогут обеспечить длительный срок службы  
(от нескольких сотен до тысяч ч) только в том случае, если будет 
обеспечен оптимальный для них состав атмосферы. Поэтому следующим шагом при выборе ТП должен стать анализ влияния состава технологической атмосферы на работоспособность отобранных 
на первом этапе преобразователей. 
Здесь следует учесть, что только три типа преобразователей — 
ТМК (М), ТМКн (Т) и ТЖК (J) — имеют универсальное применение и работоспособны в течение длительного времени при предельных температурах tпред в окислительных, восстановительных, 
нейтральных и разреженных атмосферах. Для всех остальных ТП 
(кроме ТВР (A)) в ГОСТе приведены данные по tпред для окислительных атмосфер. Для этих преобразователей предельные температуры эксплуатации в разреженных, нейтральных и, особенно, восстановительных атмосферах будут существенно меньше. 

При этом следует учесть, что атмосфера, используемая для 
химико-термической обработки, всегда многокомпонентна. В качестве примера можно привести науглероживающую восстановительную атмосферу для цементации или азотирующую окислительную атмосферу для оксиазотирования. Выполняя анализ влияния таких многокомпонентных сред на работоспособность ТП, 
следует учитывать влияние каждой компоненты. 
Например, преобразователь типа ТЖК (J) может устойчиво работать в окислительной, восстановительной, нейтральной и вакуумной средах при температуре до 750 С, однако наличие углерод- 
или, особенно, азотсодержащих газов в составе атмосферы приводит к крайне быстрому выходу ТП из строя вследствие насыщения 
железного электрода азотом или углеродом. 
В заключении первого раздела домашнего задания студент 
должен привести список термоэлектрических преобразователей, 
обеспечивающих длительный срок службы в атмосфере заданного 
химического состава. Здесь основное внимание следует уделить 
аргументации выбора работоспособных ТП и анализу причин неработоспособности или быстрого выхода из строя остальных преобразователей. 
Второй раздел отчета должен содержать сравнительный анализ 
выбранных вариантов по погрешности измерения, чувствительности, сроку службы и стоимости. Здесь сравнение по погрешности 
измерения и чувствительности следует проводить, используя числовые данные, приведенные в [4, 5] и справочной литературе [6]. 
Для сравнительного анализа по погрешности измерения следует выбирать ТП такого класса допуска, чтобы была обеспечена  
погрешность измерения не больше заданного в условии значения. 
Если какой-либо преобразователь не обеспечивает необходимую 
точность измерений, дальнейшее его рассмотрение нецелесообразно. 
Сравнительную оценку выбранных вариантов по сроку службы следует проводить с учетом заданной максимальной температуры эксплуатации tэксп оборудования и предельной температуры 
длительного применения ТП в атмосфере заданного химического 
состава. 
Причина деградации и выхода из строя преобразователя — 
нежелательные диффузионные процессы — изменение химического состава термоэлектродов по причине селективного испарения легирующих элементов или загрязнения примесями, рост 

зерна. Их скорость в первую очередь определяется двумя факторами: температурой эксплуатации преобразователя и химическим 
составом контролируемой атмосферы. При анализе этих факторов необходимо учитывать следующее: 
 срок службы ТП — нормируется для номинальной температуры применения — наиболее вероятной температуры эксплуатации преобразователя. Как правило, она составляет 75 % от предельной температуры при длительном применении tпред; 
 если состав атмосферы рекомендован для данного преобразователя, то при температуре не более 75 % от tпред нежелательные химические и структурные изменения материала термоэлектродов будут происходить сравнительно медленно, что обеспечит 
длительный срок службы ТП; 
 чем больше температура эксплуатации преобразователя и 
меньше температура его длительного применения, тем быстрее 
он выйдет из строя при прочих равных условиях; 
 эксплуатация ТП в атмосферах, применение которых возможно, и, особенно, работа в нерекомендуемых атмосферах, приводят к необходимости уменьшения максимальной температуры 
применения, в этих случаях следует руководствоваться данными 
по tmax из [6] или табл. П2 Приложения. 
В качестве примера можно привести свойства преобразователя типа ТВР (A). Известно, что для вольфрам-рениевых преобразователей не рекомендуется окислительная атмосфера, поскольку 
при температуре свыше 600 С вольфрам окисляется с заметной 
скоростью. Однако скорость окисления вольфрама (а также и 
вольфрам-рениевых сплавов) при температуре ниже 450 С (75 % 
от tmax из табл. П2) незначительна и ею можно пренебречь. Таким 
образом, при использовании преобразователей типа ТВР (A) в 
окислительной атмосфере при температуре не более 450 С будет 
обеспечен длительный срок службы такого преобразователя. 
При сравнительной оценке вариантов по стоимости следует 
учитывать только стоимость материала термоэлектродов. Расчет 
условной стоимости проводят по формуле 



Ц
Ц
,
i
i
m
  
 

где mi — массовая доля i-го элемента; Цi — условная стоимость 
этого элемента по отношению к стоимости железа. Данные, рассчитанные на основе [7], приведены в табл. П4. 

Сравнительный анализ вариантов по таким критериям, как 
погрешность измерения, чувствительность, срок службы и условная стоимость, следует выполнять, используя метод экспертных 
оценок по интервальным шкалам при непосредственной оценке 
свойств (балльная оценка). Минимальному значению критерия 
соответствует минимальный балл и наоборот. Возможные градации оценок критериев приведены в табл. П5 и П6 Приложения. 
Каждому из четырех критериев следует задать весовой коэффициент ai с учетом важности критерия в соответствии с условиями домашнего задания. Весовые коэффициенты являются нормированными, т. е. ai = 1. 
Итогом балльной оценки является ранжирование списка ТП, 
отобранных студентом при выполнении первого раздела домашнего задания. Для ранжирования j-го ТП необходимо подсчитать 
его суммарную балльную оценку Rj по формуле 

,
j
i
i
R
a k
 
 

где ki — балльная оценка i-го критерия. 
Результаты экспертной оценки целесообразно свести в итоговую таблицу. 
Студент должен обосновать выбор оптимального типа ТП, указать для него химический состав термоэлектродов и возможные 
варианты материалов для изготовления компенсационных, удлинительных и соединительных проводов. При выборе компенсационных и удлинительных проводов следует руководствоваться данными из соответствующих стандартов или табл. П7 и П8. 
Здесь нужно учесть, что гибкие удлинительные провода изготавливают из тех же материалов, что и термоэлектроды с возможно бóльшим поперечным сечением. Компенсационные провода имеют специально подобранный химический состав, отличающийся от состава термоэлектродов, они также должны иметь 
возможно большее поперечное сечение для уменьшения потерь 
при передаче сигнала. 
В результате выполнения второго раздела домашнего задания 
студент должен привести итоговую таблицу с ранжированным 
списком ТП и необходимыми объяснениями выбора оптимального типа ТП и материалов для изготовления компенсационных, 
удлинительных и соединительных проводов. 
В третьем разделе отчета для выбранного типа ТП следует 
сконструировать термоэлектрическую цепь, обозначить на ней 

термоэлектроды, компенсационные, удлинительные и соединительные провода, а также температуры рабочего спая, головки и 
свободных концов преобразователя. Необходимо записать и провести анализ уравнения термоэлектрической цепи. 
В четвертом разделе отчета требуется выбрать конструктивное исполнение ТП (кабельные, армированные, бескорпусные 
преобразователи), наилучшим образом отвечающее измерению 
температуры в заданных условиях. Подобрать оптимальную конструкцию и состав материала защитной арматуры [8, 9] для заданных условий работы и выбранных параметров ТП. Привести 
основные данные о свойствах выбранного преобразователя и эскиз или схему его конструкции [10]. На рисунке необходимо показать расположение основных элементов преобразователя и указать их назначение. 
В результате выполнения третьего и четвертого разделов домашнего задания студент должен продемонстрировать умение 
конструирования и анализа термоэлектрических цепей, а также 
знание устройства ТП и назначение его основных элементов. 
Текст отчета должен представлять собой собственное изложение решения предложенного задания; не допускается дословное повторение текста монографий, стандартов или справочников 
(за исключением определений). В отчете следует указывать использованные источники информации (конспект лекций, стандарты, справочники, ссылки на интернет-ресурсы и др.). 

ЗАЩИТА ЗАДАНИЯ 

Выполненное домашнее задание принимает преподавательконсультант в сроки, предусмотренные графиком учебных занятий. Защита заданий проводится в устной форме, студент должен 
продемонстрировать знание основных групп и типов ТП, их преимуществ и недостатков, понимание возможных причин неработоспособности ТП или быстрого выхода их из строя. 
При защите задания требуется обосновать выбор оптимального для заданных условий работы типа ТП, показать знание 
устройства ТП и назначение его основных элементов, умение 
конструирования и анализа термоэлектрических цепей.