Измерение технологических параметров и управление процессами в термическом производстве

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
А.Е. Смирнов 
Измерение технологических параметров 
и управление процессами 
в термическом производстве 
Методические указания 
к выполнению лабораторных работ по дисциплине 
«Управление процессами тепловой обработки материалов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 

УДК 621.7-52 
ББК 34.651 
        С50 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1226.html 
 
Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Материаловедение» 
 С50 
Рекомендовано  
Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве методических указаний  
 
Рецензент 
 канд. хим. наук, доцент П.В. Слитиков 
 
   Смирнов, А. Е. 
 
 
      Измерение технологических параметров и управление процессами в термическом производстве : методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Управление процессами тепловой обработки материалов» / А. Е. Смирнов.  
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 55,         
[5] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4182-2  
Изложены сведения об основных методах измерения и управления 
технологическими параметрами термической и химико-термической обработки. Приведен порядок выполнения конкретных заданий по установлению основных закономерностей процессов измерения и регулирования 
таких параметров, как температура, расход, давление и потенциал технологической атмосферы, в том числе с использованием автоматизированных контрольно-измерительных и регулирующих систем. 
Для студентов 4-го курса, обучающихся по направлению «Материаловедение и технологии материалов» и изучающих дисциплину «Управление процессами тепловой обработки материалов». Могут быть полезны 
для студентов, обучающихся по другим направлениям, а также для инженерно-технических работников, занятых в термическом производстве. 
 
УДК 621.7-52 
ББК 34.651 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4182-2                                                МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
2 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Методические указания включают необходимые теоретические сведения и описание методики выполнения четырех лабораторных работ, посвященных изучению основных разделов учебной 
дисциплины «Управление процессами тепловой обработки материалов», а также методы обработки полученных результатов. 
Рассмотрены аппаратные средства и методы измерения, контроля и регулирования таких параметров, как температура, расход, 
давление и потенциал технологической атмосферы, в том числе с 
использованием автоматизированных контрольно-измерительных 
и регулирующих систем. 
Цель лабораторных работ  обеспечить формирование у студентов знаний, умений и навыков в области измерения, контроля и 
регулирования технологических параметров термической и химикотермической обработки, а также в области применения автоматизированных контрольно-измерительных и регулирующих систем. 
Последовательность выполнения лабораторных работ и их нумерация приведены в соответствии с программой учебной дисциплины 
«Управление процессами тепловой обработки материалов». 
 
3 

Работа № 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 
Цель работы  приобретение практических навыков использования термоэлектрических преобразователей (ТП). 
Задачи: изучение принципа действия, технических характеристик, области применения и конструктивных особенностей термоэлектрических преобразователей, а также способов подключения 
их к измерительным приборам. 
 
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 
 
Для измерения температур в технике применяют измерительные 
средства, выходным сигналом которых может быть любая величина, 
однозначно зависящая от температуры. В практике термической обработки наибольшее применение находят термоэлектрические преобразователи, представляющие собой различные по химическому составу металлы или полупроводники (обычно в виде проволоки или 
ленты), соединенные в точке, называемой «спай». 
Выходной сигнал ТП представляет собой малое напряжение постоянного тока, что дает возможность дистанционного измерения 
температуры. Широкому использованию ТП способствует простая 
конструкция, позволяющая решать специальные задачи измерения 
температур. Немаловажным достоинством ТП является малый размер 
термочувствительного элемента (измерение температуры осуществляется практически в точке); гибкость термоэлектродов делает возможным измерение температуры в труднодоступных местах. 
Эффект термоэлектричества 
 
Принцип действия ТП основан на термоэлектрических явлениях в точках контакта разнородных материалов, образующих   
замкнутый контур. Если точки соединений имеют различные температуры, то в контуре возникает электрический ток. 
4 

Явление термоэлектричества обнаружено Т.И. Зеебеком в 
1821 г. и уточнено Ж.Ш. Пельтье в 1834 г. и  У. Томсоном в 1856 г. 
Образующуюся в точке контакта разнородных материалов А и 
В разность потенциалов можно измерить; она пропорциональна 
разности эффективных работ выхода электронов этих материалов 
B
A
w
w

и носит название контактной разности потенциалов: 
AB
B
A
1 (
),
U
w
w
e


                                (1) 
где e  заряд электрона. Поскольку эффективная работа выхода 
зависит от температуры, т. е. w = w(T), можно утверждать, что 
контактная разность потенциалов также является функцией температуры: 
AB
AB( )
U
U
T

. 
Рассмотрим замкнутую термоэлектрическую цепь (рис. 1), образованную проводниками А и В, имеющими две точки контакта 
(1 и 2) при температурах Т1 и Т2. Проводники называют термоэлектродами, а точку контакта термоэлектродов  спаем термопары. 
 
 
 
Рис. 1. Схема замкнутой термоэлектрической цепи: 
А, В — термоэлектроды; Т1, Т2 — температуры точек 
контакта 1 и 2;  UAB(Т1),  UAB(Т2)  —  контактные разности
                                     потенциалов 
 
В замкнутом контуре существуют различные по величине контактные разности потенциалов 
AB
1
(
)
U
T  и 
AB
2
(
).
U
T
 Их наличие вызывает протекание термоэлектрического тока (эффект Пельтье). 
В проводнике, нагретом неравномерно, возникает дополнительная разность потенциалов (эффект Томсона). Она существенно 
меньше контактной разности потенциалов, и ею можно пренебречь. 
Применим 2-й закон Кирхгофа для замкнутого контура: 
5 



AB
2
AB
1
A
B
AB
1
AB
2
(
) –
(
) 
(
)
(
)  
·
,
U
Т
U
Т
I R
R
R
T
R
T
I
R






 (2) 
где I  термоэлектрический ток; 
A
B
AB
, 
, 
( )
i
R
R
R
T
  сопротивления термоэлектродов и переходное сопротивление точек контакта 
соответственно; R
   суммарное сопротивление цепи. 
Под термоЭДС понимают суммарную ЭДС в замкнутом контуре. Введем для термоЭДС обозначение: 
2
1
AB
2
AB
1
(
, )
(
) –
(
).
E T
T
U
Т
U
Т

                           (3) 
Из уравнения (3) следует, что термоЭДС является функцией 
двух переменных. 
Измерение термоЭДС 
 
Анализ формулы (2) показывает, что термоэлектрический ток 
в замкнутом контуре зависит не только от значения термоЭДС 
2
1
(
, ),
Е T
T
 но и от суммарного сопротивления 
R
цепи. Поскольку 
суммарное сопротивление зависит от многих параметров (длина и 
диаметр проводников, их состав, температура), для уменьшения 
погрешности измерения в разрыв термоэлектрической цепи вводят 
стабильное сопротивление измерительного прибора 
ИП,
R
 намного 
превышающее 
.
R

 
Уравнение (2) в этом случае записывают следующим образом: 
2
1
ИП
(
, 
)
(
).
E T
T
I
R
R



                                (4) 
Для измерения термоЭДС используют две схемы включения 
измерительного прибора в термоэлектрическую цепь:  
1) в разрыв одного из спаев; 
2) в разрыв одного из электродов.  
Для подключения используют гомогенные соединительные 
провода1. 
Рассмотрим более простую схему включения измерительного 
прибора в разрыв одного из спаев (рис. 2). 
                                                          
 
1 Термин «гомогенные провода» обозначает проводники одинакового 
химического состава. В термоэлектрических цепях используют медные 
провода. 
6