книги / Теплотехнические измерения и приборы

Принимая во внимание уравнение (4-2-1), представим уравне­ ние (4-2-9) в следующем виде:

ном уровне наших знаний определить вид этой функции теорети­ чески не представляется возможным, а потому его устанавливают опытным путем.

При измерении температуры термоэлектрическим термометром t0 поддерживают постоянной, a t в этом случае является переменной

из кривой или таблицы, составленной на основании эксперимента, т. е. путем градуировки термоэлектрического термометра, напри­ мер, методом сравнения с образцовым термометром, то измерение неизвестной температуры t сводится к измерению ЕАВ (t, t0). При этом предполагается, что Температура t0 остается неизменной, так как нарушение постоянства этой температуры влечет за собой изменение термо-э. д. с. термоэлектрического термометра. Обычно градуировку термоэлектрических первичных преобразователей или термометров производят при температуре t0 — 0°С.

При пользовании градуировочными таблицами производится интерполирование (обычно линейное) между табличными значениями термо-э. д. с. Если табличные точки слишком редки, то линейная интерполяция приводит к большим погрешностям. В этом случае для целей интерполяции рекомендуется пользоваться специальными градуировочными таблицами (ГОСТ 3044-74) или графиками, а также эмпирическими формулами, которые для некоторых термоэлектри­

дов, образующих термоэлектрический термометр и характеризует его чувствительность.

При небольшой нелинейности зависимости ЕАВ (t, t0) = F (t) на отдельных ее участках можно считать эту зависимость линей­ ной. Тогда ÜEAB (t, t0) и dt в выражении (4-2-12) могут быть заме­

Выясним, как влияет на значение термо-э. д. с. термоэлектри­ ческого термометра третий проводник, включенный в его цепь. Для этой цели рассмотрим термоэлектрический термометр, состоя­ щий из термоэлектродов А» В, в цепь которого включен проводник С (рис. 4-2-3, а). При этом температура спая 1 равна t, а темпера­ тура мест соединения (2 и 3) t0. Определим термо-э. д. с. Е для этой цепи. В соответствии с принятыми условиями

мометра не изменяется от введения в его цепь третьего проводника,

электрического термометра не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова. Положение это верно также и для всех соединений термоэлектрической цепи. Нарушение же равенства температур концов третьего проводника, включенного в цепь термоэлектрического термометра, вызывает появление паразитной термо-э. д. с., которая будет зависеть от при­ роды третьего проводника и от температуры мест его присоеди­ нения.

Предположим, что (рис. 4-2-3, а) температура спая 3 про­

термо-э. д. с, цепи будет равна:

э. д. с. ЕСц (t'o, Ai), развиваемую термоэлектрической цепью СВ с температурой спаев, равной температуре концов проводника С, т. е. t'o и t0.

Аналогично предыдущему предположим, что в схеме рис. 4-2-3, б температура места соединения 4 проводника С с проводником В не равна температуре txместа соединения 3 и имеет значение t[ > t±. В этом случае термо-э. д. с. цепи будет равна:

Из уравнений (4-2-18) и (4-2-20) видно, что при неравенстве температур спаев 2 и 3 (рис. 4-2-3, а) или мест соединений 3 и 4 (рис. 4-2-3, б) термо-э. д. с. термоэлектрического термометра изме­ няется соответственно на значение термо-э. д. с. Есв (h, t0) и ЕСв (t{, ti) термоэлектрической цепи, составленной из проводника С в паре с термоэлектродом В.

Из сказанного следует, что нежелательно употреблять мате­ риалы для изготовления отдельных элементов термоэлектрического комплекта, значительно различающиеся термоэлектрически, даже там, где постоянство температур относительно обеспечено. Напри­ мер, для изготовления добавочных или регулировочных резисто­ ров следует избегать применения константана, дающего высокую термо-э. д. с. в паре с медью, и рекомендуется применять ман­ ганин.

4-3. Включение измерительного прибора в цепь термоэлектрического термометра

Для измерения термо-э. д. с. термоэлектрического термометра в его цепь необходимо включить измерительный прибор. Для этого необходимо либо разорвать термоэлектрическую цепь в спае 2 (рис. 4-2-1), либо разорвать один из термоэлектродов, например, В, и с помощью проводов С включить измерительный прибор (ИП) (рис. 4-3-1).

В первом случае (рис. 4-3-1, а) у термоэлектрического термо­ метра будет три конца: рабочий 1, погружаемый в среду, темпера-

тура которой измеряется, и свободные 2 и 3, которые должны нахо­ диться при постоянной температуре (t0 = const). Во втором слу­ чае (рис. 4-3-1, б), у термоэлектрического термометра окажется четыре конца: рабочий /, свободный 2 и нейтральные 3 и 4. Концы

3 и 4 должны иметь одну и ту же температуру tlt абсолютное зна­ чение которой роли не играет.

Несмотря на отличие схем рис. 4-3-1, а и б термо-э. д. с., раз­ виваемая термоэлектрическими термометрами, в обоих случаях будет одинакова, если будут одинаковы термоэлектроды А и В, а также температуры рабочих и свободных концов, так как термо- э. д. с. термометра, как было показано выше, не изменяется от вве­ дения в его цепь нового проводника, если температуры концов проводника одинаковы.

В ряде случаев бывает необходимо измерить разность темпера­ тур. Подобные измерения осуществляются путем применения термо­ электрического термометра, состоящего также из двух термоэлект­ родов Л и Б, но у которого оба конца являются рабочими. Такой термоэлектрический термометр обычно называют дифференциаль­ ным. Схема включения измерительного прибора в цепь дифферен­ циального термометра представлена на рис. 4-3-2. Рабочие концы дифференциального термоэлектрического термометра 1 и 2 погру­ жают в среды, разность температур (^г •— t2) которых измеряют. При этом температура нейтральных концов 3 и 4 должна быть оди­ накова.

Следует также отметить, что, измеряя разность температур с помощью дифференциального термоэлектрического термометра, необходимо знать одну из температур, например t2, так как термо- э. д. с. термометра в зависимости от температуры изменяется не по линейному закону. При измерении температуры t2 места соединений 4 и 5 будут являться свободными концами, и они должны находиться при постоянной температуре (t0 = const). Вследствие этого при измерении как разности температур ^ -— t2, так и тем­ пературы t2, свободные концы 3, 4 и 5 должны находиться при по­

Из уравнения (4-4-1), следует, что увеличение температуры свободных концов термоэлектрического термометра уменьшает его

Термо-э. д. с. 35,65 мВ соответствует температура рабочего конца t = 448°С. Предположение линейной зависимости термо-э. д. с. от температуры привело

бы к ошибочному результату: t = 409,5 + 50 = 459,5°С.

4-5. Определение термо-э. д. с. различных материалов при изучении их термоэлектрических свойств

Если известны термо-э. д. с. различных термоэлектродных мате­ риалов 5, С, D, , N в паре с платиновым термоэлектродом А , то на основании закона Вольта можно определить термо-э. д. с. любой комбинации этих термоэлектродов между собой для опре-

деленных температур рабочего конца t и свободных концов ï0 = 0°С. Для изготовления термоэлектрода А при изучении термоэлектри­ ческих свойств различных материалов применяют проволоку из чистой платины марок Пл1 и ПлЗ по ГОСТ 8588-64. Для платино­ вого электрода должно быть известно значение термо-э. д. с. отно­ сительно группы нормальных платиновых термоэлектродов (ГНПТ) в интервале температур от 100 до 1200°С (ГОСТ 1790-63). Основа­ нием к выбору платины служит то, что она может быть получена чистой, однородной по своему составу и, кроме того, может приме­ няться в сравнительно большом температурном интервале.

Пусть известна термо-э. д. с. двух проводников В и С по отно­ шению к платиновому термоэлектроду А при температуре ^ и /0 соответственно рабочего и свободных концов:

Ева (t- t0) = eBA(0 — евл (to)',

Еса (t, ta) = есл (0 — есл (to)-

Вычитая из первого уравнения второе и используя (4-2-3), полу­ чаем:

Правая часть этого уравнения определяет термо-э. д. с. ЕВс (t, to) термоэлектрического термометра с термоэлектродами В, С. Таким образом,

Из уравнения (4-5-1) видно, что термо-э. д. с. термоэлектриче­ ского термометра с электродами ВС будет больше, чем Евл (t, t0), если термо-э. д. с. электрода С в паре с платиной будет иметь отри­ цательный знак. '

Положительный знак перед значением термо-э. д. с. Евс (t, t0), вычисленный по уравнению (4-5-1), свидетельствует о том, что термоэлектрод В в паре с С является положительным термоэлект­ родом, а знак минус указывает, что термоэлектрод В является отри­

цательным.

Рассмотренный способ определения термо-э. д. с. различных материалов находит применение при комплектовании термометров из неблагородных термоэлектродных металлов.

Пример. При температуре t = 100°С и /0= 0°С термоэлектроды хро­ мель (X) и алюмель (А) развиваютв парес платиной (П) термо-э. д. с.: £хп (100,0) =

= +2,76 мВ; £ап (100, 0) = —1,34 мВ (ГОСТ 1790-63).

Определим, пользуясь уравнением (4-5-1), значение термо-э. д. с. хромельалюмелевого термоэлектрического термометра:

Е хА(10°, 0 ) = £ х п (100, 0 )- £ АП (100, 0) = 2,76+1,34= +4,10 мВ.

Знак плюс указывает на то, что хромель является положительным термо­ электродом, а алюмель отрицательным.

4-6. Основные требования, предъявляемые

ктермоэлектродным материалам

Ктермоэлектродным материалам, предназначенным для изго­ товления термоэлектрических термометров, предъявляют ряд тре­ бований: жаростойкость и механическая прочность; химическая инертность; термоэлектрическая однородность; стабильность и вос­ производимость термоэлектрической характеристики; однозначная, желательно близкая к линейной, зависимость термо-э. д. с. от тем­ пературы; высокая чувствительность.

Жаростойкость и механическая прочность в значительной сте­ пени определяют верхние температурные границы применимости термоэлектродных материалов, а вместе с тем и термоэлектрических термометров. С ростом температуры резко ускоряются все процессы, ведущие к разрушению термоэлектродов нагреваемой части термо­ метра: падение механической прочности; химическое взаимодейст­ вие термоэлектродов со средой, с соприкасающимися телами и друг

сдругом; рекристаллизация, возгонка и т. п.

Устанавливая пригодность того или иного материала для изго­ товления термоэлектродов, особенно высокотемпературных термо­ электрических термометров, следует уделять большое внимание вопросу возможных химических и других взаимодействий его с ма­ териалом, работающим с ним в паре, с окружающей средой и сопри­ касающимися керамическими деталями арматуры. Например, тер­ моэлектрические термометры платиновой группы хорошо работают в нейтральных или окислительных средах и быстро гибнут в вос­ становительной среде и в вакууме (в вакууме при температуре выше 500°С платина возгоняется). Термоэлектрические термометры же на основе вольфрама, молибдена, рения и их сплавов надежно ра­ ботают в вакууме, в нейтральной или восстановительной (водород­ ной) среде, но сравнительно быстро выходят из строя в окислитель­ ной среде. Стабильность термо-э. д. с. монокристаллов вольфрама, молибдена и рения значительно выше, чем у соответствующих поликристаллических металлов [52].

При наличии участков термоэлектродов со значительной тер­ моэлектрической неоднородностью при больших градиентах тем­ пературы развивается паразитная термо-э. д. с., могущая искажать показания температуры на 10—25°С и более.

Стабильность и воспроизводимость термоэлектрической характ теристики материалов обуславливают точность измерения темпе­ ратуры, а вместе с тем и возможность применения этих материалов для изготовления взаимозаменяемых термоэлектрических термо­ метров. Основными причинами нестабильности термоэлектрических характеристик высокотемпературных термоэлектрических термо­ метров с металлическими электродами являются рекристаллизация, преимущественное испарение одного из компонентов сплава, внутрнкристаллические изменения, взаимодействие с окружающей сре­ дой, а также поведение примесей.

Ввиду того что термо-э. д. с., развиваемая большинством тер­ моэлектрических термометров с металлическими электродами, обычно невелика (0,01*—0,07 мВ/°С), то естественно, что при про­ чих равных условиях термометр, имеющий более высокую термо- э. д. с., предпочтительнее. Эго дает возможность использовать менее чувствительный, а вместе с тем и более надежный измерительный прибор.

При выборе термоэлектродных материалов необходимо учиты­ вать также и технологию их изготовления, так как она определяет возможность получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов. Кроме того, при выборе термоэлектродных материалов необходимо стремиться к тому, чтобы их стоимость была невысокой.

Надежная работа термоэлектрических термометров в промышлен­ ных условиях определяется не только качеством и свойствами термоэлектродного материала, но также качеством и конструкцией арматуры термометра, которая при неудачном выполнении и выборе защитных материалов может свести на нет высокие качества самих термоэлектродов.

4-7. Общие сведения о термоэлектрических термометрах

По характеру термоэлектродных материалов термоэлектриче­ ские термометры подразделяют на две группы: термоэлектрические термометры с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов; термоэлектрические термометры с тер­ моэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами.

Термоэлектрические термометры первой группы являются наи­ более распространенными, они широко вошли в практику техноло­ гического контроля и научно-исследовательских работ.

Термоэлектрические термометры второй группы в настоящее время являются больше объектами опытно-исследовательских ра­ бот, чем средством технологического контроля температур. Внедре­ нию этих высокотемпературных термоэлектрических термометров в широкую практику препятствуют трудность обеспечения стабиль­ ности их термо-э. д. с. во времени и недостаточная взаимозаменяе­ мость. В то же время термоэлектрические термометры этой группы представляют большой практический интерес.

Термоэлектрические термометры с термоэлектродами из благо­ родных металлов, главным образом платиновой группы, широко применяют для измерения температур в области от 300 до 1800°С. Ниже рассмотрим наиболее распространенные термоэлектрические термометры платиновой группы.

Платинородий-платиновые термоэлектрические термометры при­ меняются для измерения температур в области 300—1600°С в окис­ лительной и нейтральной среде. Для измерения отрицательных тем­ ператур платинородий-платиновые термоэлектрические термометры

не применяются, так как их термо-э. д. с. в этой области меняется немонотонно. Платинородий-платиновые термометры находятся в числе лучших термоэлектрических термометров по точности и вос­ производимости термо-э. д. с. Положительным термоэлектродом у этих термометров является платинородий (сплав 90% Pt и 10% Rh), отрицательным — чистая платина. Термоэлектроды платино- родий-платиновых термоэлектрических термометров изготовляют обычно из проволоки диаметром 0,5 мм. Такой диаметр термоэлект­ родов общепринят для термометров платиновой группы, так как он удовлетворяет условиям достаточной прочности, и стоимость таких термометров не слишком велика.

Применяемые платинородий-платиновые термоэлектрические тер­ мометры в зависимости от их назначения разделяются на следую­ щие три основные разновидности: эталонные (ТПП-Э), образцовые (ТПП-О) и рабочие повышенной точности (ТПП-РПТ) и технические (ТПП). Основные технические характеристики термоэлектрических термометров ТПП-Э, ТПП-0 и ТПП-РПТ приведены в табл. 4-7-1, а ТПП >— в табл. 4-7-2 и 4-7-3. Удельное электрическое сопроти­ вление термоэлектродной проволоки для термометрических термо­ метров приведено в табл. 4-7-4,

П р и м е ч а н и я ! 1. Согласно ГОСТ 8.083-73 а — среднее квадратическое отклонение результата измерений; е —доверительная погрешность, равная 2а; Л — абсолютная допу­ скаемая погрешность.

2. Для ТПР-02, ТПР-ОЗ н ТПР-РПТ материалы термоэлектродов: платинородий (30% ро­

дия) — платинородий (6% родия). Для остальных типов: платинородий (10% родня) — пла­ тина.

Эталонные платинородий-платиновые термоэлектрические термометры слу­ жат для воспроизведения Международной практической температурной шкалы от 630,74 до 1064,43°С. Для этой области температуру рассчитывают по урав­ нению