Каковы эффекты композиционных изменений в спае термопары?

[Примечание: ответ полностью обновлен]

Основываясь на вашей картинке SEM и дальнейших пояснениях в комментариях, кажется, что ваша система выглядит так:

У вас есть материалы A и B, которые образуют пару термопар, шарик смеси «AB» в качестве соединения. Шарик встроен в материал подложки «C» и сплавлен с ним. Еще одна сложность заключается в том, что существует значительный температурный градиент в$z$направление. Цифры 0–7 обозначают точки интереса; 0 и 7 являются опорными точками.

Сеть сопротивления

Мы можем аппроксимировать приведенную выше схему как сеть сопротивлений:

Волнистые линии - это резисторы. Каждая пронумерованная точка$i$имеет температуру$T_i$. Каждое подключение из одной точки$i$к следующей точке$j$изготовлен из однородного материала$X$без стыков. Электродвижущая сила (ЭДС) над каждым соединением равна

$$\mathcal E_{ij} = S_X (T_j-T_i),$$ Где $S_X$- коэффициент Зеебека материала $X$; $X$может быть одним из $\{A,B,AB,C\}$. Коэффициент Зеебека может зависеть от температуры; для рассуждений здесь я предполагаю, что они постоянны или что все температуры определяются как смещение относительно высокой эталонной температуры.

Я называю их электродвижущими силами, а не напряжениями, потому что фактические напряжения являются результатом электродвижущих сил в сочетании с падениями напряжения на различных резисторах. Можно предположить, что измерительное устройство в точках 0 и 7 имеет очень высокое внутреннее сопротивление, поэтому в ветвях 01 и 67 ток отсутствует. Но в других местах сети могут протекать токи.

Давайте сначала посмотрим на напряжение между точками 1 и 6:

$$\mathcal E_{16} = S_{AB}(T_6-T_1).$$ Эта ЭДС конкурирует с ЭДС на пути 1256, $$\mathcal E_{1256} = \mathcal E_{12}+\mathcal E_{25} + \mathcal E_{56} = S_{AB}[(T_2-T_1) + (T_5-T_2) + (T_6-T_5)] = S_{AB} (T_6-T_1).$$ Теперь это удобно: температуры $T_2$и $T_5$не важно. Теперь посмотрим, что делает путь 123C456 (через подложку): $$\mathcal E_{123C456} = S_{AB} (T_6-T_1) + (S_C-S_{AB})(T_4-T_3).$$ Это не очень приятно: вы получаете дополнительную ЭДС, пропорциональную разнице $T_4-T_3$. Разность потенциалов между точками 1 и 6 теперь будет зависеть от точных значений всех сопротивлений и фактических значений температур на пути. Это уже сложно решить для упрощенной сети резисторов; для фактического случая трехмерного шарика, встроенного в поверхность, вам придется прибегнуть к численному моделированию - и вам все равно нужно знать все коэффициенты Зеебека и удельные сопротивления материалов.

Инженерное решение

В комментариях вы заявили, что вас больше интересует точный метод измерения, чем полный физический анализ проблемного измерения.

В уравнениях вы видите, что ЭДС, которые трудно интерпретировать, возникнут, если$T_1 \neq T_6$и/или$T_2\neq T_5$и/или$T_3\neq T_4$. Если вы сделаете систему симметричной, все пары температур будут одинаковыми, и ваша термопара будет эффективно измерять только температуру.$T_1$, что равно$T_6$. Для достижения этой симметрии валик должен быть действительно однородным; состав материала вокруг точки 2 должен быть равен составу вокруг точки 5. Токоподводящие провода должны отходить от поверхности симметрично. Если вам нужна не температура в точках 1 и 6, как на чертеже, а температура в том же$z$положение в качестве поверхности подложки, то вы должны погрузить валик глубже в подложку.

На самом деле, вы могли бы даже отказаться от всего сплава AB. Вместо этого припаяйте/приварите провода «A» и «B» непосредственно и отдельно к подложке.