ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Принцип действия термоэлектрических термометров основан па эффекте возникновения электродвижущей силы в цепи, составленной из разнородных проводников, если места их соединений имеют различную температуру. Рассмотрим цепь (рис. 8.9), составленную из разнородных проводников А и В.

Такие спаянные проводники называются термопарами, а возникающая в них при изменении температуры электродвижущая сила называется термоэлектродвижущая сила — т. э. д. с. Возникновение т. э. д. с. объясняют диффузией имеющихся в металле свободных электронов из металла, где плотность свободных электронов больше, в металл, где плотность свободных электронов меньше. Возникающее при этом в месте соприкосновения двух разнородных металлов электрическое поле будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического ноля, наступит состояние подвижного равновесия. При таком равновесии между металлами А и В возникает некоторая разность потенциалов. Допустим, что температура в местах спая проводников / и 2 различна. Так как интенсивность диффузии электронов зависит также и от температуры мест соединения проводников, т. э. д. с., возникающие в спаях 1 и 2, будут различны. Электроны из более нагретых частей проводников будут диффундировать с большей интенсивностью, чем в обратном направлении. В таком проводнике появляется т. э. д. с. и на концах его возникает разность потенциалов.

Учитывая сказанное, можно определить величину т. э. д. с. п цепи, изображенной на рис. 8.10:

(8.15)

где — суммарная т. э. д. с., определяемая действием обоих факторов; и -т. э. д. с., обусловленные контактной разностью потенциалов и разностью температур концов проводников А и В.

Порядок индексов при е указывает, при переходе от какого проводника к какому учитывается э. д. с. Если температура спаев одинакова, то т. э. д. с. в цепи равна нулю, так как в обоих

случаях возникают т. э. д. с., равные по величине и направленные навстречу друг другу. Следовательно, при t = t₀

(8.16)

(8.17)

Подставляя (8.17) в (8.15), получаем

(8.18)

Из уравнения (8.18) видно, что т. э. д. с. представляет собой сложную функцию двух переменных и т. е. температур обоих

спаев. Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например = const, получаем

(8.19)

Последнее выражение показывает, что если для данной термопары экспериментально, т. е. путем градуировки, найдена зависимость между т. э. д. с. и температурой, измерение температуры сводится к решению обратной задачи: измеряя т. э. д. с. термопары, можно определить значение интересующей нас температуры.

Для включения электрического прибора необходимо разорвать электрическую цепь термопары. Электрический прибор можно включить, разорвав цепь в одном из спаев (рис. 8.10, а) или разорвав один из термоэлектродов (рис. 8.10, б). Рассмотрим, какова будет суммарная т. э. д. с. в двух вариантах включения в цепь термопары третьего проводника С. Для случая, показанного на рис. 7.10, а,

(8.20)

Если t =t_о,т. е. температуры спаев равны, то

(8.21 )

Из уравнения (8.21) очевидно, что

(8.22)

Подставляя (8.22) в (8.20), мы получаем уравнение (8.18). Для случая, показанного на рис. 8.10, б,

(8.23)

Если учесть, что

и

то уравнение (8.23) также превращается в уравнение (8.18). Исходя из этого, можно сделать важный вывод: т. э. д. с. термопары не изменяется от введения в ее цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры. Это означает, что в цепь термопары можно включать соединительные провода, измерительные приборы и подгоночные сопротивления.

При неравенстве температур концов третьего проводника т. э. д. с. термопары уменьшится на величину т. э. д. с. паразитной термопары АС (см. рис. 8.10, а) или ВС (см. рис. 8.10, б) при температурах концов и \ или и .

Из сказанного следует, что для присоединения электроизмерительных приборов желательно употреблять проводники, незначительно отличающиеся по термоэлектрическим свойствам от термоэлектродов термопары.

Как было установлено (8.19), т. э. д. с. является однозначной функцией измеряемой температуры лишь при условии поддержания неизменной температуры холодного спая, т. е. t₀ = const. Если температура холодного спая изменилась, то необходимо вводить соответствующую поправку.

Пусть температура холодных спаев, равная при градуировке t₀, изменилась и стала равной . Тогда и т. э. д. с. термопары E_Ав (t, ) будет отличаться от градуировочного ее значения Е_АВ (t, tо). Пользуясь уравнением (8.18), определим разность

(8.24)

Произведя сокращения, получим

(8.25)

В уравнении (8.25) правая часть равна ,поэтому уравнение_/ примет вид

(8.26)

Знак «плюс» в формуле (8.26) относится к случаю, когда , а «минус» — к случаю .

Уравнение (8.26) показывает, что изменение температуры холодных спаев термопары изменяет ее т. э. д. с. на величину т. э. д. с., развиваемой той же термопарой при температурах горячих и холодных спаев, равных соответственно измененной ( )и первоначальной (t₀) температурам холодных спаев. Величину поправки Е_AB (t’_o, t_o) можно получить для данной термопары из градуировочной таблицы или, при небольших значениях разности t’₀ — t₀, из характеристической кривой.

На рис. 8.11 показана принципиальная схема термоэлектрического термометра. В его комплект входят термопара 1, соединительные провода 2 и электроизмерительный прибор 3.

Термоэлектродные материалы, предназначенные для изготовления термопар, не должны изменять с течением времени своих физических свойств, не должны окисляться и поддаваться иным вредным воздействиям, величина т. э. д. с. этих материалов должна быть достаточной для точных измерений и изменяться однозначно в зависимости от температуры; температурный коэффициент электросопротивления их должен быть по возможности минимальным, а электропроводность — высокой.

На рис. 8.12 приведены термоэлектрические характеристики различных термоэлектродных материалов в паре с платиной, называемой нормальным термоэлектродом, так как платина более всего отвечает комплексу требований, предъявляемых к термоэлектродным материалам. На верхней половине графика представлены материалы, являющиеся положительными термоэлектродами по отношению к платине, на нижней — отрицательными.

Пользуясь приведенным графиком, можно построить градуировочные кривые для любой пары материалов, учитывая, что т. э. д. с., развиваемая этой парой при температуре горячего спая t, равна алгебраической разности т. э. д. с. этих материалов в паре с платиной при этой же температуре.

Термоэлектродные материалы, образующие стандартные термопары, собираются в соответствии с ГОСТ 3044-77. Для компенсации изменения температуры холодных спаев их надо отнести возможно дальше от объекта измерения, чтобы обеспечить их постоянную температуру. При этом термоэлектродные провода должны иметь те же термоэлектрические свойства, что и соединяемые с их помощью электроды термопары, иначе в соединении проводов с электродами термопар может появиться т. э. д. с., которая будет причиной систематической погрешности. Схема соединения термопары с измерительным прибором термоэлектродными проводами показана на рис. 8.13. Температуры в точках 1 и 2 должны быть равны. Это достигается тем, что точки 1 и 2 помещают близко одна от другой в головке термопары.

Как видно из рис. 8.13, холодные спаи с температурой t₀ удалены от головки термопары на длину термоэлектродных проводов, что дает возможность термостатирования холодных спаев. Термоэлектродные провода можно соединять с измерительным прибором медными проводами.

В лабораторных условиях температуру холодных спаев обычно поддерживают

равной 0° С, для чего места спая погружают в пробирки с маслом, которые в свою очередь помещают в сосуд Дьюара с тающим льдом.

На практике для автоматического введения поправки на температуру холодных спаев применяют мостовые электрические

схемы. На рис. 8.14 приведена схема компенсационного моста КТ-08. Термопара включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого R1, R2 и RЗ выполнены из . манганина, а четвертое R4 — из меди. Схема питается от сети переменного тока. Добавочное сопротивление R_д предусмотрено для подгонки напряжения, подаваемого на мост. При постоянном напряжении источника питания изменением сопротивления R_д можно настраивать мост для работы с термопарами различных градуировок. Термопара соединяется с компенсационным проводами, мост с измерительным прибором — медными.

При градуировочной температуре холодных спаев термопары мост находится в равновесии и разность потенциалов на вершинах моста аЬ равна нулю. С изменением температуры холодных спаев изменяется сопротивление R4, нарушается равновесие моста и на его вершинах аЬ возникает разность потенциалов, равная по величине и противоположная по знаку изменению т. э. д. с. термопары, вызванному отклонением температуры ее холодных спаев от градуировочной.

Для измерения т. э. д. с. применяют потенциометры и милливольтметры. В настоящее время для работы в комплекте со стандартными термопарами выпускаются следующие типы электронных потенциометров:

1) самопишущие с ленточной диаграммой ЭПП-09МЗ;

2) малогабаритные самопишущие с ленточной диаграммой ПС1 и ПСР1 (буква «Р» в шифре означает наличие встроенного в прибор регулирующего устройства);

3) миниатюрные показывающие ППИ-05 и ППР-4;

4) миниатюрные самопишущие ПСМ2 и ПСМР2. Запись в прямоугольных координатах, ширина ленты 100 мм (миниатюрные приборы выпускаются в прямоугольном корпусе 400 X 200 X X 190 мм);

5) самопишущие с дисковой диаграммой ЭП-120 и ЭП-107;

6) показывающие с вращающимся циферблатом ЭПВ-2;

7) самопишущие и регулирующие с ленточной диаграммой ЭПР.

Техническая характеристика потенциометров регламентируется

ГОСТ 7164-71. Согласно ГОСТ 9736-68 отечественная приборостроительная промышленность в настоящее время выпускает милливольтметры переносные, показывающие, класса точности 1, типа МПГ1 и милливольтметры самопишущие, щитовые, профильные, класса точности 1,5, типа МПЩПр.

ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

Пирометрами излучения определяют температуру вещества по его излучению. Преимуществом этих приборов является то, что измерение температуры осуществляется без непосредственного контакта с измеряемой средой, следовательно, сам процесс измерения не искажает температурного поля измеряемого объекта. Методы оптической пирометрии теоретически не имеют верхнего температурного предела и могут быть применены для измерения высоких температур газовых потоков и плазмы.

Для измерения температуры можно использовать либо зависимость монохроматического излучения тела в функции температуры (так называемую спектральную светность), либо интегральное (полное) излучение. Спектральная и интегральная светности зависят от физических свойств вещества, поэтому шкалы пирометров градуируются по излучению абсолютно черного тела.

Абсолютно черным называют тело, поверхность которого поглощает все падающие на него лучи. В природе нет абсолютно черных тел, но есть тела, близкие к абсолютно черному. Так, тело, покрытое нефтяной сажей, поглощает до 96% лучистой энергии.

Оптические пирометры. Принцип действия этих приборов заключается в сравнении яркости (интенсивности излучения) исследуемого тела в лучах определенной длины волны с яркостью нити лампочки накаливания, предварительно проградуированной по излучению абсолютно черного тела. Если два тела имеют в одном направлении одинаковую яркость, а следовательно, и одинаковую монохроматическую интенсивность излучения, они имеют и одинаковую температуру. При сравнении яркости тела и яркости нити накаливания последнюю наблюдают на фоне излучающего тела. Когда яркость нити накаливания идентична яркости тела, нить становится невидимой, поэтому такие пирометры называют оптическими пирометрами с исчезающей нитью. Схема такого прибора приведена на рис. 8.15.

При измерении температуры объектив 2 пирометра направляют на раскаленное тело 1 так, чтобы в окуляре 5 на фоне раскаленного тела была видна нить пирометрической лампы 4.

Затем, перемещая объектив 2 и окуляр 5, добиваются четкого изображения раскаленного тела и нити лампы в одной плоскости. Изменяя ток в фотометрической лампе с помощью реостата 8, добиваются совпадения яркости нити с яркостью исследуемого тела. Шкала показывающего прибора 7 градуируется непосредственно в градусах температуры излучения по абсолютно черному телу. Красный светофильтр 6 срезает коротковолновую часть излучения и в совокупности с человеческим глазом, который имеет избирательную чувствительность, обеспечивает восприятие практически монохроматического излучения.

Стабильность показаний оптического пирометра зависит от постоянства характеристик измерительного прибора и пирометрической лампы. Пирометрическая лампа в течение длительного срока сохраняет зависимость яркости нити от силы протекающего через нее тока, если температура не превышает 1400° С. Нагрев свыше 1400° С приводит к распылению вольфрамовой нити и изменению ее сопротивления. С целью повышения предела измерения температуры применяют нейтральный (серый) светофильтр 3, который в одинаковой степени поглощает энергию всех длин волн.

Стекло серого светофильтра выбирают такой оптической плотности, чтобы при температуре излучателя выше 1400° С нить пирометрической лампы нагревалась до температур не выше 1400° С. В соответствии с этим оптический пирометр имеет две шкалы: одна шкала от 800 до 1400° С без использования нейтрального светофильтра, другая от 1400° С и выше — с введением нейтрального светофильтра. Выпускаемые отечественной промышленностью яркостные оптические пирометры ОППИР-017 предназначены для измерения температуры в интервале от 800 до 6000° С.

Погрешность при измерении температуры тел, приближающихся по своим свойствам к абсолютно черному телу, в пределах ± 1,5% от диапазона шкалы. Для уменьшения влияния луче- поглощения промежуточной средой расстояние между телом, температура которого измеряется, и оптическим пирометром не должно превышать 5 м.

Фотоэлектрические яркостные пирометры. В отличие от рассмотренных пирометров фотоэлектрические яркостные пирометры можно использовать как стационарные приборы для непрерывного измерения, записи, сигнализации и регулирования температуры в различных технологических процессах. Принцип действия яркостных фотоэлектрических пирометров так же, как и визуальных, основан на использовании зависимости монохроматической яркости от температуры. В этих приборах излучение действует на фотоэлектрические приемники (фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды и фотосопротивления).

Схема фотоэлектрического пирометра ФЭП-4 приведена на рис. 8.16. Изображение участка визируемой поверхности 1 фокусируется линзой 2 объектива на отверстие 7 в держателе светофильтра 5, установленном перед фотоэлементом 6. Диафрагма 3 и отверстие 7 ограничивают световой поток, падающий на фотоэлемент. Если изображение визируемого участка нагретой поверхности полностью перекрывает отверстие 7, то величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента, зависит только от яркости визируемой поверхности, а следовательно, от ее температуры. Через отверстие 8 в том же держателе светофильтра на катод фотоэлемента падает световой поток от лампы накаливания 14. Эта лампа осуществляет в приборе обратную связь по световому потоку. Световые потоки от визируемой поверхности 1 и лампы обратной связи 14 модулируются в противофазе с частотой 50 Гц при помощи вибрирующей заслонки 9. Заслонка поочередно прикрывает и открывает каждое из отверстий 7 и 8. Если световые потоки, падающие на катод фотоэлемента от измеряемого объекта 1 и лампы 14, не одинаковы, то в токе фотоэлемента появится переменная составляющая с частотой 50 Гц, а величина ее будет пропорциональна разности указанных потоков. Переменная составляющая после усиления в усилителе 10 и выпрямления фазовым детектором поступает в выходной каскад усилителя 11, что вызывает изменение силы тока в лампе обратной связи. Ток лампы обратной связи, однозначно связанный со световым потоком, характеризует яркость, а следовательно, и температуру визируемого объекта.

Последовательно с лампой обратной связи включено калиброванное сопротивление 13. Падение напряжения на сопротивлении, пропорциональное силе тока в лампе, измеряется электронным потенциометром 12, градуированным в градусах яркостной температуры излучателя. Наводка пирометра на измеряемый объект осуществляется с помощью окуляра 4.

В комплект пирометра ФЭП-4 входят: визирная головка, силовой блок, стабилизатор напряжения, электронный быстродействующий потенциометр БП-516 и разделительный трансформатор. Предел измерения 500—2000° С, погрешность измерений ± 1%

Пирометры полного излучения. Такие пирометры еще называют радиационными. Они основаны на принципе определения температуры тела по тепловому действию лучистой энергии.

Рис. 8.17. Схема пирометра РПС

Рис. 8.18. Устройство пирометра РАПИР

Действие прибора заключается в следующем: испускаемые нагретым телом лучи собираются линзой и направляются на теплоприемник — термоэлектрическую батарею, состоящую из нескольких малоинерционных, последовательно соединенных термопар. В качестве измерительных приборов применяют милливольтметры, автоматические потенциометры и уравновешенные мосты.

Промышленность выпускает стационарные пирометры полного излучения (радиационные) РПС с пределами от 90 до 1800° С и пирометры РАПИР с диапазоном измерения от 100 до 4000° С.

Схема пирометра РПС изображена на рис. 8.17. Объектив пирометра линзой 1 направляют на излучающий объект, температуру которого нужно измерить. Лучи проходят через ограничивающую диафрагму 3 и фокусируются на термоэлектрической батарее 4, состоящей из четырех последовательно соединенных термопар с диаметром электродов 0,07 мм. Для защиты от тепловых потерь и механических повреждений термобатарея помещена в стеклянный баллон, заполненный воздухом. Спаи термопар прикреплены к крестообразной пластинке из платиновой фольги, покрытой платиновой чернью, для лучшего поглощения лучей.

Холодные спаи термопар укреплены в стеклянном баллоне на слюдяной пластинке, а соединительные провода выведены через цоколь стеклянного баллона к клеммам на корпусе телескопа. Перед окулярной линзой 2 помещено цветное (дымчатое или красное) стекло 5 для защиты глаз при установке пирометра.

Недостатком прибора является небольшая т. э. д. с., развиваемая термобатареей из четырех хромель-копелевых термопар (около 20 мВ при 1800° С), и большая тепловая инерция (около 12 с).

На рис. 8.18 изображено устройство пирометра РАПИР. Тепловые лучи от измеряемого объекта, пройдя через линзу 1 и диафрагму 2, фокусируются на термобатарее 4, расположенной в конусообразной камере 3. В этой камере укреплена компенсационная катушка 5 из никеля, подключенная параллельно выводам термобатареи. Стенки конусообразной батареи зачернены для поглощения отраженных лучей. Термобатарея собрана из десяти У-образных термопар, соединенных последовательно. Звездообразное расположение термопар позволяет улучшить фокусировку телескопа. Концы термобатареи выведены на зажимы 7, к которым соединительным кабелем, выходящим через отверстие 6, штуцер 8, подключается вторичный прибор. Наводка телескопа выполняется через визирное отверстие 9 и окуляр 10. Чувствительность регулируют перемещением диафрагмы с помощью трубки 11. Выпускаемые телескопы могут работать с одним или двумя пирометрическими милливольтметрами, а также. с автоматическим потенциометром и одним милливольтметром.

Для работы с различными вторичными измерительными приборами пирометры полного излучения снабжают панелью с эквивалентными и уравнительными сопротивлениями.