испытаний и могут изготовляться из различных материалов. Эти крио-, статы и криокамеры не имеют такого единообразия в конструктивном исполнении, как гелиевые, изготовление которых требует высокой культуры производства и применения высококачественных хромоиикелевых и медных сплавов.

4. Измерение температуры

Для измерения температуры при механических испытаниях применя­ ют термопреобразователи сопротивления, термоэлектрические пре­ образователи, жидкостные термометры и пирометры [18]. Наибольшее распространение в настоящее время получили термоэлектрические преобразователи (термопары) и термопреобразователи сопротивления (полупроводниковые и проволочные), которые позволяют проводить измерения в широком интревале низких и высоких температур (4,2— 2800 К). Эти преобразователи широко используются в. качестве дат­ чиков в автоматизированных системах нагрева с замкнутым конту­ ром регулирования.

Термоэлектрические преобразователи. Чувствительным элементом преобразователя является термопара, представляющая собой два проволочных электрода из разнородных металлов, которые соединя­ ются на свободных концах с помощью пайки или сварки. Спай, кото­ рый устанавливается на исследуемом объекте, называется рабочим. Бели температура рабочего и свободного концов термопары отлича­ ются, то в цепи термопары возникает термоЭДС, пропорциональная разности температур рабочего и свободного спаев. Измеряя термо­ ЭДС, по тарировочным графикам можно определить температуру ра­ бочего спая, а значит, и температуру локальной зоны исследуемого объекта, в которой закреплена термопара. При использовании термо­ пар в цепи регулирования температуры электрический сигнал, воз­ никающий в контуре измерения, усиливается и преобразовывает­ ся таким же образом, как и сигнал от тепзорезисторов в автоматизи­ рованных системах управления режимом нагружения.

Термоэлектрические преобразователи выпускаются в различном исполнении в зависимости от условий испытаний, режимов и длитель­ ности нагружения. Различают поверхностные и погружаемые преоб­ разователи, стационарные и переносные, обыкновенные, пылезащи­ щенные, водозащищенные, взрывозащищенные и виброустойчивые. По количеству чувствительных элементов для измерения температуры в одной зоне термоэлектрические преобразователи делят на одинар­ ные, двойные и т. д.

В табл. 3 приведены основные типы преобразователей и их харак­ теристики. Для измерения низких температур применяются медькопелевые, хромель-копелевые, хромель-алюмелевые, железоконстантановые и медь-константановые преобразователи. Причем послед^ пиё получили наибольшее распространение для низкотемпературных измерений до 77 К. При более низких температурах термопары не используются из-за их невысокой чувствительности и значительных погрешностей измерения.

В области повышенных и высоких температур основное примене­ ние находят хромель-алюмелевые термопары (до 1300 К), имеющие линейную характеристику й достаточно высокий уровень выходного сигнала. При более высоких температурах в основном используются платинородий-платиновые термопары (практически до 4600 К) и вольфрамрепиевые; причем последние могут применяться только в вакууме и в чистых средах, так как при высоких температурах на воздухе они интенсивно окисляются.

Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия этих преобразователей основан на использовании свойства чувствительного

Т а б л и ц а 3. Основные параметры термоэлектрических преобразователен [18]

элемента изменять сопротивление при изменении температуры. Они изготовляются из проволоки или из полупроводниковых материалов. Чувствительный элемент проволочных преобразователей, которые называются терморезисторами, представляет собой намотанную на каркас из изоляционного материала спираль. Каркас со спиралью помещается в металлическую или стеклянную гильзу, заполняемую гелием или порошком оксида алюминия.

Для изготовлеиия чувствительных элементов проволочных пре­ образователей используется медь или платина. Медные преобразова­ тели позволяют измерять температуру в интервале 77—475 К, а пла­ тиновые — в интервале 13— 1400 К. Наибольшее применение в испы­ тательной технике получили серийные платиновые преобразователи ТСП-5071 с пределами измерения 77—900 К.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления, кото­ рые называются термисторами, отличаются большим электрическим сопротивлением, малыми размерами и высокой прочностью. В связи с тем что их градуировочная характеристика является нелинейной, они требуют индивидуальной тарировки. Широкое примененио тер­ мисторы находят при измерении весьма низких температур в темпера­ турной области, которая лежит за пределами возможностей термо­ резисторов и термопар. Так, для измерения температур от 1,5 до 77 К используются термисторы с чувствительным элеметом из кристалла германия. Следует отметить, что в качестве чувствительных элементов

термисторов используются те же полупроводниковые материалы, ко­ торые применяются для изготовления полупроводниковых тензорезисторов. Только изменение сопротивления тензорезисторов обуслов­ лено деформацией полупроводникового кристалла, а изменение сопротивления термисторов связано с изменением температуры. Поэто­ му условия крепления термисторов к поверхности объекта, темпера­ тура которого подлежит измерению, должны исключать возможность механического деформирования кристалла или его нагружение. Воз­ никающий за счет механического воздействия электрический сигнал в цепи измерения нельзя отделить от сигнала, инициированного из­

менением температуры, что может вносить значительную погрешность в измерение температуры.

Жидкостные термометры. Эти термо­ метры применяют для контроля темпера­ туры. Их делят на лабораторные, техни­ ческие, медицинские метеорологические и другие. При проведении макроэксперимен­ та в основном применяются лабораторные стеклянные термометры, в которых в ка­ честве наполнителей (термометрических жидкостей) используют ртуть, толуол, спирт, керосин, петролейпый эфир. Пре­ делы измерения температуры лаборатор-

Рис. 108. Схема дилатометра. ных Ратных термометров 24 3 -8 7 3 К, а нертутных жидкостных 77—4/3 К.

В испытательных устройствах широко применяется обеспечиваю­ щий позиционное регулирование температуры ртутный электроконтактный термометр, в капилляре которого с помощью магнитной го­ ловки перемещается подвижный рабочий контакт. Контакт устанав­ ливается по шкале термометра на нужный уровень, и при достижении соответствующей этому уровню температуры перемещающаяся при расширении по капилляру ртуть замыкает электрическую цепь регу­ лятора, который дает сигнал о таком переключении устройству наг­ рева, после чего произойдет снижение температуры до определенного уровня с последующим повышением. Эти термометры позволяют ста­ билизировать. тепловой режим на любом температурном уровне в пределах шкалы термометра (243—573 К).

Дилатометр. Это механический датчик, предназначенный для по­ зиционного регулирования температуры в системах с высокой инер­ ционностью. Принцип действия дилатометра основан на использова­ нии свойства материалов изменять свои размеры при изменении температуры в установках для испытаний на длительную прочность и ползучесть, продолжительность которых может составлять до 12 лет. Очевидно, что при таких длительных испытаниях основным качеством регулятора должна быть его высокая надежность, и дилатометры в полной мере обладают этим качеством. Схема дилатометра, исполь­ зуемого при длительных испытаниях в изотермических условиях, показана на рис. 108. Тяги 1 и 9, жестко закрепленные на трубе 10,

находящейся в температурном поле нагревателя установки, взаимно перемещаются при изменении температуры в рабочей зоне. На конце тяги 1 относительно оси 5 вращается рычаг 4, на котором установлен подвижный контакт 7, поочередно перемещающийся от одного непод­ вижного контакта к другому (6 и 8). Система после длительного про­ грева настраивается на заданную температуру с помощью регулиро­ вочного винта 2. При повышении температуры труба расширяется, нижний конец винта перемещается вниз и воздействует на головку рычага, который поворачивается вокруг оси и замыкает подвижный контакт с контактом в. При снижении температуры рычаг под дей­ ствием пружины 3 возвращается в исходное состояние, при этом за­ мыкаются контакты 7 и 8, обеспечивая коммутацию соответствующей цепи нагрева. Таким образом, дилатометр так же, как и ртутный электроконтактный манометр, обеспечивает позиционный характер регу­ лирования температуры. К его недостаткам можно отнести невысокую чувствительность и большую инерционность.

Пирометры. Принцип действия пирометров основан на измерении суммарной энергии или состава излучения нагретых тел. Они являют­ ся дистанционным бесконтактным средством измерения температуры. В зависимости от принципа действия их подразделяют на четыре груп­ пы: радиационные (пирометры суммарного излучения), оптические (яркостные), фотоэлектрические и цветовые.

Действие радиационного пирометра основано на пзмеревпи пол ной энергии излучения, которая пропорциональна 4-й степеии тем­ пературы тела. Основой радиационного пирометра является телескоп, состоящий из теплоприемиика и оптической системы, концентрируй ющей па теплоприемник суммарный лучистый поток тела, температу­ ра которого измеряется. Теплоприемником обычно служат песколько термопар, последовательно соединенных в термобатарею. При исполь­ зовании радиационного пирометра необходимо учитывать возмож­ ность поглощения теплового потока в промежуточной среде между телескопом и нагретым объектом, что вызывает погрешность измере­

термопар радиационного пирометра применяются милливольтметры и электронные потенциометры. Промышленностью выпускается пиро­ метр ПИРС-019, представляющий собой телескоп для измерения ра­ диационной температуры в интервале 300—600 К.

С помощью оптических пирометров температура измеряется по монохроматической яркости тела в видимой области спектра. Моно­ хроматическая яркость определяется при ее сравнении с яркостью нити эталонной лампы, температура которой известна. Обычно при сравнении электрический ток в нити эталонной лампы изменяют до тех пор, пока ее яркость не совпадает с яркостью изображения тела и нить не исчезнет на его фоне. Чувствительным элементом, который оценивает совпадение яркостей, является глаз человека. Поэтому оп­ тические пирометры относятся к индицирующим приборам, они не позволяют осуществлять автоматическую запись температуры и не могут использоваться в системах регулирования. Промышленностью

выпускаются несколько типов оптических пирометров (ОМП-054, ЛМП-066, «Промипь», ВИМП-0,15 М и др.), которые позволяют из­ мерять температуру в интервале 700—5300 К.

Фотоэлектрические пирометры представляют собой модификацию оптических, в которых сравнение яркостей тела и нити лампы произ­ водится не визуально, а с помощью фотоэлемента. Принцип действия пирометра основан на периодическом освещении фотоэлемента наг­ ретым телом и лампой с частотой 50 Гц. Оба световых потока изменя­ ются в противофазе и при их несовпадении в цепи фотоэлемента воз­ никает переменная составляющая фототока, которая после усиления воздействует на питание лампы. Ток накала лампы изменяется до тех пор, пока освещенности от лампы и тела не уравняются и перемен­ ная составляющая фототока не станет равной нулю. В данном случае сила тока в лампе связана с температурой объекта исследования. Электрический выходной сигнал, используемый для определения тем­ пературы, снимается с сопротивления, включенного в цепь питания лампы. К фотоэлектрическим пирометрам относятся микропирометр ФЭМП-021 с пределами измерения температуры 1200— 3900 К и ФЭП4М, позволяющий измерять температуру в интервале 800— 2300 К.

Действие цветовых пирометров основано на измерении интенсив^, ности монохроматического излучения тела при заданной температуре для двух участков длин волн, например для красного и сине-зеленого участков видимой части спектра. Зная отношение этих интенсивностей, можно определить температуру тела, от которого она зависит. Цве­ товой пирометр «Веселка», имеющий несколько модификаций, позво­ ляет измерять температуру в достаточно широком интервале значе­ ний — от 475 до 3300 К.

Пирометры имеют ряд преимуществ перед контактными преобра­ зователями. Они обеспечивают очень высокое быстродействие изме­ рений и могут использоваться в таких температурных диапазонах (выше 2100 К) и средах, где контактные преобразователи быстро те­ ряют свою работоспособность. Кроме того, их применение обязательно в тех случаях, если контакт термоэлектрического преобразователя с исследуемым объектом недопустим из-за искажения им температур­ ного поля или если такой контакт невозможен.

К основному недостатку пирометров-следует отнести невозмож­ ность их применения при измерении температуры в локальных зонах небольшой протяженности, а также на участках исследуемых объектов с большими градиентами температуры. Их существенным недостатком также является и то, что результаты измерения температуры по сум­ марной энергии или по. составу излучения нагретых тел зависят от коэффициента лучеиспускания, точная оценка которого в большин­ стве случаев затруднена и, следователвно, затруднено точное опре­ деление истинной температуры нагретого объекта.. Дело в том, что градуировку всех пирометров производят по абсолютно черному телу с коэффициентом лучеиспускания (черноты).е = 1. При измерении температуры реальных тел 8 < 1, поэтому пирометры показывают меньшую температуру, чем истинная температура тела. Так, при ис­ пользовании радиационных пиррметров истинная температура мо-

T-T*V-T' (1 Х -2)

где Тр — измеренная с помощью пирометра так называемая радиа­ ционная температура.

При намерении температуры оптическим пирометром истинную температуру определяют по формуле

Г “ ( т - - - г г 4гУ'' (ix.3)

где 7’л — яркостная монохроматическая температура; Са — постоян­

Если температура измеряется цветовым пирометром, для опреде­ ления ее истинного значения используется такая формула:

где Тц — так называемая цветовая температура, которая измеряется пирометром; Хг и Х2 — длина волн для двух различных монохромати­ ческих излучепий; ev ел., — монохроматические коэффициенты лу­ чеиспускания для волн длиной Xj и Х2 (ел., < 1 и е^, <С 1).

Как следует из анализа формул (IX.2) — (IX .4), различие между измеренной и истинной температурой тела зависит для радиационного способа измерения от коэффициента лучеиспускания, а при исполь­ зовании яркостных и цветовых пирометров — от длины волн моно­ хроматических излучений и постоянной Планка.

Радиационные пирометры характеризуются небольшой погреш­ ностью измерения, размах ее абсолютного значения не превышает 9 К при температурах до 600 К. Погрешность измерения температуры оптическими и цветовыми пирометрами в интервале температур 700— 5300 К составляет от ± 0 ,6 до ± 3 ,0 %, причем верхняя граница этих значений погрешности соответствует температурам выше 3500 К.

Приборы. Наибольшее распространение для регистрации темпе­ ратуры получили автоматические мосты, потенциометры, миллиампер­ метры и вольтметры, которые выполняют функции показывающих, записывающих, а в отдельных случаях и регулирующих приборов. Принцип действия этих приборов основан на нуль-методе измерения с автоматическим уравновешиванием.

При определении температуры тип используемых для ее регистра­ ции приборов однозначно определяется типом используемого датчика температуры. Так, термоэлектрические преобразователи (термопары) применяются в комплекте с электропотенциометрами типов ЭПС, ЭПП, КП, КВП, КПП, КСП, термопреобразователи сопротивления (терморезисторы и термисторы) — в комплекте с автоматическими мостами типов МФС, МФП, КМ, КВМ, КПМ, КСМ, а источники уни­ фицированного сигнала, которыми снабжены пирометры,— с милли­ амперметрами и вольтметрами типов КП, КВУ, КГ1У, КСУ |18)