RU2093926C1

RU2093926C1 - Hot junction quality control technique for thermoelectric converter

Info

Publication number: RU2093926C1
Application number: RU96107344A
Authority: RU
Inventors: А.В. Каржавин; А.А. Касаткин
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью производственно-инвестиционная компания "ТЕСЕЙ"
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 1997-10-20

Abstract

FIELD: measurement technology; flaw detection in thermoelectric converter hot junction. SUBSTANCE: hot junction temperature is varied by passing electric current pulse from its negative electrode to positive one. Thermal emf of converter is measured at the moment of current disconnection and compared with thermal emf of reference converter obtained under similar conditions; comparison results are used to assess quality of junction. EFFECT: reduced cost of inspection without impairing metrological characteristics. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при диагностике наличия дефектов в рабочем спае термоэлектрического преобразователя (ТЭП). The invention relates to measuring technique and can be used in the diagnosis of defects in the working junction of a thermoelectric converter (TEC).

Наличие в сварном шве и околошовной зоне микротрещин, непроваров, свищей, утонения электродов больше допустимого приводит к преждевременному разрушению рабочего спая ТЭП. Известны способы выявления дефектов рабочих спаев, заключающиеся в проведении внешнего осмотра, например, с применение оптических приборов и рентгеновского просвечивания. The presence of microcracks, imperfections, fistulas, and thinning of electrodes in the weld and the heat-affected zone of the electrodes is more than acceptable leads to premature destruction of the working junction of the TEC. Known methods for detecting defects in working junctions, which include conducting an external examination, for example, using optical instruments and x-ray radiation.

Первый метод позволяет выявить только поверхностные дефекты шва и околошовной зоны. Рентгеновское просвечивание выявляет наличие микротрещин и глубину проплавления электродов в сварном шве. Данный способ является трудоемким, т. к. для выявления дефектов необходимо просвечивание в нескольких направлениях, а также требует специального оборудования и помещения. Дефектоскопия методом рентгеновского просвечивания применяется при изготовлении ТЭП, отвечающих требованиям Госатомнадзора. The first method allows only surface defects of the seam and the heat-affected zone to be detected. X-ray scanning reveals the presence of microcracks and the penetration depth of the electrodes in the weld. This method is time-consuming, because for detecting defects it is necessary to scan in several directions, and also requires special equipment and premises. X-ray flaw detection is used in the manufacture of TECs that meet the requirements of Gosatomnadzor.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является способ термоудара, заключающийся в следующем. Рабочий спай прогревают до температуры около 400^oC в течение 5 мин с последующим резким охлаждением в воде. На чувствительной аппаратуре ведется запись переходного процесса изменения электросопротивления ТЭП. При наличии дефектов в спае процесс изменения электросопротивления идет не монотонно, а с выбросами, причиной которых является появление или расширение микротрещин. Недостатком данного способа является то, что его применение приводит к изменению статической характеристики ТЭП вследствие интенсификации диффузионно-релаксационных процессов в термоэлектродных материалах при скоростях изменения температуры выше 5 Kc^-1. При этом величина изменения статической характеристики ТЭП может превысить допустимые отклонения от номинальной статической характеристики, нормируемые ГОСТ Р 50341-92. Применение данного метода приводит к необходимости повторного определения статической характеристики проверяемого ТЭП. Высока трудоемкость прототипа приводит к тому, что метод термоудара целесообразно применять при дефектоскопии около 10% ТЭП.The closest in technical essence to the claimed is the method of thermal shock, which consists in the following. The working junction is heated to a temperature of about 400 ^o C for 5 minutes, followed by rapid cooling in water. Sensitive equipment records the transient process of changing the electrical resistance of the TEC. In the presence of defects in the joint, the process of changing the electrical resistance is not monotonous, but with emissions caused by the appearance or expansion of microcracks. The disadvantage of this method is that its use leads to a change in the static characteristics of the TEC due to the intensification of diffusion-relaxation processes in thermoelectrode materials at rates of temperature change above 5 Kc ^-1 . Moreover, the magnitude of the change in the static characteristics of the TEC can exceed the permissible deviations from the nominal static characteristics, standardized by GOST R 50341-92. The use of this method leads to the need to re-determine the static characteristics of the tested TEC. The high complexity of the prototype leads to the fact that the method of thermal shock, it is advisable to apply for flaw detection about 10% TEC.

Перед авторами стояла задача создания надежного способа контроля качества рабочего спая ТЭП методом неразрушающего контроля, позволяющего достичь цели с небольшими трудозатратами. The authors were faced with the task of creating a reliable way to control the quality of the working junction of the TEC using the method of non-destructive testing, which allows to achieve the goal with low labor costs.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля качества рабочего спая ТЭП, включающем изменение температуры его рабочего спая, предлагается изменение температуры проводить импульсом постоянного электрического тока в направлении от отрицательного электрода к положительному, а о качестве рабочего спая ТЭП судить по результатам сравнения термоЭДС проверяемого и эталонного ТЭП, зарегистрированных в момент отключения электрического тока. Предлагается также выбрать величину тока и бдительность его импульса таким образом, чтобы суммарное тепловыделение для эталонного ТЭП, в момент отключения тока, равнялось нулю. The problem is solved in that in the method for controlling the quality of the working junction of the TEC, including changing the temperature of its working junction, it is proposed to conduct the temperature change by a constant electric current pulse in the direction from the negative electrode to the positive one, and judge the quality of the working junction of the TEC by the results of comparing the thermoelectric power of the tested and reference TEC recorded at the time of disconnection of electric current. It is also proposed to choose the magnitude of the current and the vigilance of its pulse in such a way that the total heat release for the reference TEC, at the time the current is turned off, is zero.

Изменение температуры рабочего спая импульсом постоянного электрического тока в направлении от отрицательного электрода к положительному позволяет отнормировать длительность и величину импульса тока для каждого типа эталонного ТЭП в зависимости от диаметра термоэлектрода. Таким образом достигается указанный технический результат. Changing the temperature of the working junction with a constant electric current pulse in the direction from the negative electrode to the positive one allows us to normalize the duration and magnitude of the current pulse for each type of reference TEC depending on the diameter of the thermoelectrode. Thus, the specified technical result is achieved.

Изобретение реализуют следующим образом. Для заведомо хорошего ТЭП, проверенного всеми доступными методами, подбирают величину тока и длительность импульса таким образом, чтобы в момент отключения тока суммарное тепловыделение в рабочем спае равнялось нулю или было близким к нему. Суммарное тепловыделение при прохождении электрического тока через рабочий спай определяется тремя процессами: поглощением тепла за счет эффекта Пельтье, выделением тепла за счет омического нагрева и подводом-отводом тепла за счет теплопроводности термоэлектродов. На чертеже представлена осциллограмма процесса, где E термоЭДС, T время, t₁ момент начала пропускания тока, t₂ момент отключения тока. Кривая 1 получена для качественного (эталонного) ТЭП, кривая 2 для дефектного. На осциллограмме видно, что в момент отключения электрического тока термоЭДС ТЭП с дефектным рабочим спаем заметно выше начального уровня, а термоЭДС эталона не изменилось. Это обусловлено тем, что в дефектном спае за счет внутренних дефектов или утонения шва возросло его электрическое сопротивление, а следовательно, и тепловыделения и, как следствие, регистрируемая термоЭДС. Рост термоЭДС для обоих ТЭП после окончания токового импульса свидетельствует о наличии теплоподвода от термоэлектродов к рабочему спаю.The invention is implemented as follows. For a known good TEC checked by all available methods, the current value and pulse duration are selected in such a way that, at the time of the current shutdown, the total heat release in the working joint is zero or close to it. The total heat release during the passage of electric current through the working junction is determined by three processes: heat absorption due to the Peltier effect, heat generation due to ohmic heating and heat supply and removal due to the thermal conductivity of the thermoelectrodes. The drawing shows an oscillogram of the process, where E is the thermopower, T time, t _{1 is the} moment the current begins to pass, t _{2 is the} moment the current is turned off. Curve 1 is obtained for a qualitative (reference) TEC, curve 2 for a defective one. The oscillogram shows that at the moment of switching off the electric current the thermoEMF of the thermoelectric power with defective working junction is noticeably higher than the initial level, and the thermoEMF of the standard has not changed. This is due to the fact that in a defective joint due to internal defects or thinning of the seam, its electrical resistance increased, and consequently, heat generation and, as a result, recorded thermoEMF. The increase in thermopower for both TECs after the end of the current pulse indicates the presence of heat from the thermoelectrodes to the working junction.

Приведенный пример демонстрирует, что подбором величины и длительности импульса электрического тока можно добиться отсутствия реакции качественного рабочего спая на токовый импульс, что упрощает процесс диагностики наличия дефектов, т. к. отпадает необходимость постоянного сравнения величины изменения термоЭДС, проверяемого ТЭП с термоЭДС эталонного ТЭП. Для оценки качества рабочего спая достаточно сравнения полученного сигнала с начальным уровнем термоЭДС. Так экспериментально установлено, что если на эталонный ТЭП типа ХК, выполненный из кабеля с наружным диаметром 3 мм и диаметром электродов 0,65 мм (ТУ 16-505. 757-75) подать токовый импульс величиной 2А и длительностью 0,7 с, то в момент отключения электрического тока термоЭДС будет равна той, которая была до подачи токового импульса. Для ТЭП аналогичных размеров, но типа ХА параметры токового импульса составляют 2А и 0,4 с. The given example demonstrates that by selecting the magnitude and duration of the electric current pulse, it is possible to achieve the absence of a high-quality working junction response to the current pulse, which simplifies the process of diagnosing the presence of defects, since there is no need to constantly compare the magnitude of the change in thermoelectric power, checked by TEC with thermoelectric power of the reference TEC. To assess the quality of the working junction, it is sufficient to compare the received signal with the initial level of thermoEMF. So, it was experimentally established that if a current pulse of 2A and a duration of 0.7 s is applied to a reference TEC of type XK made of a cable with an outer diameter of 3 mm and a diameter of electrodes of 0.65 mm (TU 16-505. 757-75), then at the moment of switching off the electric current, the thermoEMF will be equal to that which was before the current pulse was applied. For TECs of similar sizes, but of type XA, the parameters of the current pulse are 2A and 0.4 s.

Характеристики токового импульса можно подобрать и таким образом, чтобы реакция на импульс качественного рабочего спая была отрицательная или положительная. В этом случае возникает необходимость определения численного значения величины изменения термоЭДС для проверяемого ТЭП и ее сравнения с величиной для эталонного ТЭП. The characteristics of the current pulse can be selected in such a way that the reaction to the pulse of a high-quality working junction is negative or positive. In this case, it becomes necessary to determine the numerical value of the magnitude of the change in thermopower for the tested TEC and compare it with the value for the reference TEC.

Использование изобретения позволит производить качественную оценку качества спая для 100% производимых ТЭП с незначительными затратами материальных ресурсов и без нарушения их метрологических характеристик. Using the invention will allow to make a qualitative assessment of the quality of the junction for 100% of the produced TEC with low material resources and without violating their metrological characteristics.

Claims

1. A method of controlling the quality of the working junction of a thermoelectric converter, which consists in changing the temperature of the working junction, characterized in that the temperature of the working junction is carried out by a constant electric current pulse in the direction from the negative electrode to the positive, thermoEMF is recorded, and the quality of the working junction is judged by the results of comparison the magnitude of thermoEMF recorded at the time of switching off the electric current, with the magnitude of thermoEMF of the reference thermocouple recorded under similar conditions.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the current and the duration of its pulse are selected so that the total heat generation for the reference thermocouple at the time of current shutdown is zero.