До змісту

2.1.2 Засоби виміру температури

На сьогодні у різних галузях науки й у промисловості застосовуються десятки різних способів виміру температури. У табл. 2.1 наведені найбільш розповсюджені у промисловості засоби виміру температури і зазначені межі застосування серійних засобів виміру. У дужках зазначені межі застосування засобів виміру для спеціальних цілей. Засіб вимірів температури, призначений для вироблення сигналу у формі, зручній для сприйняття спостерігачем, автоматичної обробки, передачі і використання в автоматичних системах управління, називається термометром.

Засіб виміру температури за тепловим електромагнітним випромінюванням називається пірометром. Пірометри застосовуються для безконтактного виміру температури.

Таблиця 2.1 – Межі застосування промислових засобів виміру температури

Термометри розширення. Скляні рідинні термометри. Принцип дії скляних рідинних термометрів базується на розширенні термометричної рідини, вміщеної в термометр, залежно від температури. Скляні термометри за своєю конструкцією бувають кийові і з вкладеною шкалою. Скляний термометр із вкладеною шкалою складається зі скляного резервуара і припаяного до нього скляного капіляра (рис. 2.1). Уздовж капіляра розташована шкала, яка, як правило, наноситься на пластині молочного скла. Резервуар, капіляр і шкала містяться у скляній оболонці, що припаюється до резервуара. Кийові скляні термометри виготовляються з товстостінних капілярів, до яких припаюється резервуар. Шкала термометра наноситься на зовнішній поверхні капіляра. Температура вимірюваного середовища, у яку поміщені резервуар і частина капіляра, визначається за зміною об’єму термометричної рідини, відлічуваною за положенням рівня рідини в капілярі, що відградуйовано в градусах Цельсія. У зв'язку з тим, що одночасно з розширенням термометричної рідини відбувається також розширення резервуара і капіляра, фактично ми судимо про температуру не за зміною об’єму рідини, а за видимою зміною об’єму термометричної рідини у склі. Тому видиме розширення рідини трохи менше дійсного. У табл. 2.2 наведені деякі термометричні рідини та їх характеристики.

Рис. 2.1 – Ртутний термометр

Серед рідинних термометрів найбільшого поширення одержали ртутні скляні термометри. Хімічно чиста ртуть як термометрична речовина має ряд достоїнств: вона залишається рідиною в широкому інтервалі температур, не змочує скло, легко може бути отримана в чистому вигляді. Однак ртуть має відносно малий температурний коефіцієнт об'ємного розширення, що вимагає виготовлення термометрів з тонкими капілярами. Нижня межа виміру ртутних термометрів –35°С визначається температурою затвердіння ртуті. Верхня межа виміру +600°С визначається характеристиками міцності скла. У зв'язку з тим, що температура кипіння ртуті за атмосферного тиску значно менше верхньої межі застосування ртутних термометрів, у термометрах, призначених для виміру високих температур, капіляр над ртуттю заповнюється інертним газом, наприклад, азотом. При цьому для виключення утворення пари ртуті в капілярі тиск газу повинен бути тим більше, чим вище верхня межа виміру. Для термометрів з верхньою межею виміру 600 °С тиск газу над ртуттю перевищує 3 МПа (30 кгс/см²).

Таблиця 2.2 – Термометричні рідини

Скляні термометри з органічними термометричними рідинами застосовуються в інтервалі температур від –200 до +200°С. Однак ці рідини змочують скло і тому вимагають застосування капілярів з відносно великим діаметром каналу.

До достоїнств скляних рідинних термометрів належать висока точність виміру, простота і дешевина. Недоліками скляних термометрів є відносно погана видимість шкали, практична неможливість передачі показань на відстань і, отже, неможливість автоматичної реєстрації показань, а також неможливість ремонту термометрів.

Залежно від галузі застосування за методикою градуювання термометри поділяються на дві групи: термометри, які градуюються при повному зануренні, і термометри, які градуюються при неповному зануренні (як правило, за певної довжини занурення нижньої частини). Термометри першої групи застосовуються, як правило, у лабораторних умовах і дозволяють забезпечити більш високу точність. Глибина їх занурення повинна змінюватися за зміни температури. Термометри другої групи – технічні – застосовуються для виміру температур у промисловості; глибина їх занурення повинна бути постійною. У зв'язку з цим конструктивно технічні термометри виконані таким чином, що діаметр їх нижньої (“хвостової”) частини істотно менше діаметра їх верхньої частини, у якій розташована шкала. Ці термометри занурюються у вимірюване середовище на глибину нижньої частини. Розходження у градуюванні і застосуванні скляних термометрів викликане тим, що при вимірі температури можуть мати місце систематичні похибки, характерні для даного засобу виміру. Однією з них є похибка за рахунок виступаючого стовпчика термометра. Якщо термометр градуювався при повному його зануренні у вимірюване середовище до відлічуваної температурної оцінки, а на практиці він не був занурений до цієї оцінки і частина стовпчика термометричної речовини знаходилася поза вимірюваним середовищем, виступала з неї, то може мати місце похибка за рахунок виступаючого стовпчика. Ця похибка існує, коли температура виступаючої частини стовпчика термометричної рідини і частини, зануреної у вимірюване середовище, була різною, а виходить, буде різним і розширення зануреної і виступаючої частин рідини.

Іншою похибкою, характерною для скляних термометрів розширення, є зсув нульової точки термометра. Цей зсув спостерігається після нагрівання термометра до температур, близьких до верхньої межі виміру. При наступному охолодженні термометра до 0°С скляний капіляр не відразу набуває тих же розмірів, що він мав до нагрівання. Тому ртуть, об’єм якої став дорівнювати початковому, буде розташована в капілярі, перетин якого ще не зменшився до початкового – трохи нижче оцінки 0°С. Цей зсув нульової точки термометра може досягати в технічних термометрах зі шкалою 0–600 °С значення 3°С. У термометрів з меншою верхньою межею виміру цей зсув менше.

На даний час випускаються наступні різновиди скляних термометрів.

1. Технічні ртутні термометри із вкладеною шкалою прямі (рис. 2.2, а) і кутові випускаються 11 модифікацій зі шкалами від -90 до +30; від -60 до + 50; від – 30 до +50; від 0 до100; від 0 до 160; від 0 до 200; від 0 до 300;від 0 до 350; від 0 до 450; від 0 до 500 і від 0 до 600 °С.

Рис. 2.2 – Технічні скляні електроконтактні термометри: а – прямий; б – кутовий

2. Лабораторні ртутні термометри кийові і з вкладеною шкалою призначені для виміру температур від –30 до +600°С. Ці термометри занурюються у вимірюване середовище до відлічуваної температурної оцінки. Термометри підрозділяються на чотири групи. Термометри з ціною розподілу 0,1°С мають діапазон виміру 55 °С (наприклад, 0–55°С чи 200– 255°С) з верхньою межею виміру не більше 305 °С. Для великих діапазонів виміру 0–500 °С, 0–600 °С ціна розподілу шкали 2 °С.

3. Рідинні (не ртутні) термометри випускаються кийові, із вкладеною шкалою і з зовнішньою шкальною пластиною на межі виміру від –200 до +200°С з ціною розподілу від 0,2 до 5°С.

4. Термометри ртутні підвищеної точності і зразкові випускаються з вузькими діапазонами виміру (від 4 до 50°С) і з ціною розподілу від 0,01 до 0,1 °С.

5. Термометри ртутні електроконтактні випускаються для підтримки постійної температури або сигналізації заданої температури в інтервалі від –30 до + 300°С. Термометри випускаються з постійним робочим і з рухливим робочим контактами, які можуть бути встановлені на будь-якому значенні температури в межах шкали.

6. Спеціальні термометри; медичні (максимальні), метеорологічні (максимальні, мінімальні, психрометричні, ґрунтові та ін.) та іншого призначення.

Похибки технічних термометрів, що допускаються, не повинні перевищувати розподілу шкали.

Скляні термометри є одним з найточніших засобів виміру температури.

Манометричні термометри. Принцип дії манометричних термометрів базується на залежності тиску термометричної речовини в герметично замкнутому об’ємі від температури. Термосистема манометричного термометра (рис. 2.3) складається з термобалона, капіляра 2 і манометричної пружини, один кінець якої з’єднаний з капіляром, а другий, запаяний кінець пружини, з'єднаний зі стрілкою вимірювального приладу 3.

Манометричні термометри залежно від виду робочої (термометричної) речовини, яка заповнює термосистему, підрозділяються на газові, рідинні і конденсаційні. Манометричні термометри виготовляються для виміру температур від –200 до +600°С, конкретні діапазони виміру визначаються заповнювачем термосистеми. Термометри зі спеціальним заповнювачем застосовуються для виміру температур від 100 до 1000°С.

Термобалон термометра занурюється у вимірюване середовище, і робоча речовина, що знаходиться в термобалоні, приймає температуру вимірюваного середовища. При цьому в термосистемі встановлюється тиск, обумовлений температурою вимірюваного середовища. За підвищення температури тиск підвищується, за зменшення температури – знижується. Зміна тиску робочої речовини через гнучкий капіляр передається на вимірний прилад, що є частиною манометричного термометра. Вимірювальний прилад є пружинним манометром, розрахованим на ті діапазони виміру тиску, що мають місце в термосистемах манометричних термометрів.

Рис. 2.3 – Манометричний термометр

Газові манометричні термометри призначені для виміру температури від –200 до +600°С. Як робоча речовина в газових термометрах застосовується азот. Залежність тиску газу від температури за постійного об’єму описується лінійним рівнянням:

,

де p_t і р₀ – тиск газу за температур 0 і °С;

b – температурний коефіцієнт розширення газу,

b = 1/273, чи 0,00366 K^-1.

Рівняння шкали газового манометричного термометра буде також лінійним:

,

де р_н і р_к – тиск газу за температур, що відповідають початку і кінцю шкали термометра.

У зв'язку з тим, що за зміни температури за рахунок теплового розширення змінюється об’єм термобалона, а також змінюється з тиском внутрішній об’єм манометричної пружини, об’єм термосистеми не постійний. Тому реальне рівняння шкали трохи відрізняється від лінійного. Однак це відхилення незначне і можна вважати, що шкали газових манометричних термометрів є рівномірними. Діапазон зміни робочого тиску в термосистемі може бути збільшений шляхом збільшення початкового тиску азоту в термосистемі. Це дозволяє уніфікувати манометричні пружини, а також зменшує барометричну похибку манометричного термометра. Пружинні манометри вимірюють надлишковий тиск, і тому зміна барометричного тиску може викликати зміну їх показань. Якщо вимірюваний тиск буде значним, то коливання барометричного тиску практично не будуть впливати на показання приладу.

Зміна температури навколишнього повітря буде впливати на розширення робочої речовини в капілярі і манометричній пружині, що буде викликати зміну тиску в термосистемі і відповідну зміну показань термометра. Для зменшення цього впливу прагнуть зменшити відношення внутрішнього об’єму пружини і капіляра до об’єму термобалона. Для цього збільшують довжину термобалона чи його діаметр. Довжина термобалона газового манометричного термометра не повинна перевищувати 400 мм, а діаметр термобалона обирається з ряду 5, 8, 10, 12, 16, 20, 25 і 30 мм (ГОСТ 8624-80). Довжина капіляра може складати від 0,6 до 60 м. Для зменшення температурної погрішності в деяких вимірювальних приладах усередині встановлюють термокомпенсатори. Спеціально виготовлені газові манометричні термометри можуть застосовуватися і для виміру температур більш низьких, чим 0°С. Наприклад, водневий газовий термометр може застосовуватися до –250 °С, а гелієвий – до –267 °С.

Рідинні манометричні термометри призначені для виміру температури від -150 до +300°С. Як робочу речовину, що заповнює термосистему, застосовують ртуть, пропиловий спирт, метаксилол та інші рідини. Робоча речовина рідинних манометричних термометрів практично нестислива. Тому зміна об’єму робочої рідини в термобалоні за зміни температури на величину, що відповідає діапазону виміру, викликає таке збільшення тиску в термосистемі, за якого манометрична пружина змінить свій внутрішній об’єм на величину зміни об’єму рідини. Тиск, за якого це буде мати місце, залежить від твердості пружини і для різних манометричних пружин може бути різним.

У рідинних манометричних термометрах похибка, викликана зміною барометричного тиску, як правило, відсутня, тому що тиск у системі значний. Похибка, викликана зміною температури навколишнього середовища, має місце й у рідинних манометричних термометрах. Для її зменшення застосовують ті ж способи, що й у газових манометричних термометрах: зменшують відносний об’єм рідини, що знаходиться за температури навколишнього середовища, зменшуючи внутрішній об’єм термокапіляра і пружини, чи усередину вимірювального приладу вбудовують спеціальні термокомпенсатори похибки.

У рідинних манометричних термометрах може мати місце гідростатична похибка, що виникає за різних рівнів розташування термобалона і вимірювального приладу. Для зниження можливих гідростатичних похибок довжину капіляра зменшують до 10 м. Відстані, що допускаються, по висоті між термобалоном і вимірювальним приладом вказуються в інструкціях до приладів.

Конденсаційні манометричні термометри призначені для виміру температур від –50 до +300 °С. Термобалон термометра приблизно на 3/4 заповнений низькокиплячою рідиною, а інша частина заповнена насиченою парою цієї рідини. Кількість рідини в термобалоні повинна бути такою, щоб за максимальної температури не вся рідина переходила в пару. Як робочу рідину застосовують фреон-22, пропилен, хлористий метил, ацетон і етилбензол. Капіляр і манометрична пружина заповнюються, як правило, іншою рідиною. Тиск у термосистемі конденсаційного манометричного термометра буде дорівнювати тиску насиченої пари робочої рідини, обумовленому у свою чергу температурою, за якої знаходиться робоча рідина, тобто температурою вимірюваного середовища з поміщеним у неї термобалоном. Ця залежність тиску насичення пари від температури має нелінійний вид, вона однозначна, коли вимірювана температура не перевищує критичну.

У зв'язку з тим, що тиск у термосистемі залежить тільки від вимірюваної температури, на показання термометра не буде впливати температура навколишнього середовища. Практично невелика похибка буде мати місце за рахунок механізму передачі усередині манометра, але сам принцип виміру забезпечує незалежність від температури навколишнього середовища. Гідростатична похибка викликається різницею висот розташування термобалона і вимірювального приладу, причому ця похибка буде залежати від показань приладу: на початку шкали вона буде більше, а наприкінці – менше. Довжина капіляра для зменшення цієї похибки не перевищує 25 м. Барометрична похибка у конденсаційних манометричних термометрів може мати місце на початковій ділянці шкали, коли тиск у термосистемі невеликий. В інших випадках вплив тиску буде нехтовно малим. Спеціально виготовлені конденсаційні манометричні термометри застосовуються для виміру наднизьких температур. Конденсаційні термометри, заповнені гелієм, використовуються для виміру температур від 0,8 К.

Манометричні термометри відрізняються простотою пристрою, можливістю дистанційної передачі показань і автоматичного запису. Однією з важливих переваг є можливість їх використання в пожежо- і вибухонебезпечних приміщеннях. До недоліків відносяться труднощі ремонту при розгерметизації системи, обмежена відстань дистанційної передачі показань і в багатьох випадках великі розміри термобалона. Газові і рідинні манометричні термометри мають клас точності 1; 1,5 і 2,5, конденсаційні – 1,5; 2,5 і 4.

Термоелектричні термометри. Застосування термоелектричних термометрів для виміру температури базується на залежності термоелектрорушійної сили термопари від температури. Термоелектрорушійна сила (термо-ЕРС) виникає в ланцюзі, складеному з двох різнорідних провідників за нерівності температур у місцях з'єднання цих провідників (рис. 2.4). Сучасна фізика пояснює термоелектричні явища в такий спосіб. З одного боку, унаслідок розходження рівнів Фермі в різних металів при їх зіткненні виникає контактна різниця потенціалів. З іншого боку, концентрація вільних електронів у металі залежить від температури. За наявності різниці температур у провіднику виникає дифузія електронів, що приводить до утворення електричного поля. Таким чином, термоелектрорушійна сила складається із суми стрибків потенціалу в контактах (спаях) термопари і суми змін потенціалу, викликаних дифузією електронів, і залежить від роду провідників та їх температури.

Якщо в ланцюзі (рис. 2.4) температури місць з'єднання провідників a і b будуть однакові й рівні t, то й різниці потенціалів будуть рівні за значенням, але мати різні знаки:

e_ab(t) = – e_ba(t),

а сумарна термо-ЕРС і струм у ланцюзі будуть дорівнювати нулю:

E_ab(t, t) = e_ab(t) – e_ba(t)=0.

Якщо tt₀ , то сумарна термо-ЕРС не дорівнює нулю:

E_ab(t, t₀) = e_ab(t) – e_ab(t₀) 0,

тому що різниці потенціалів для тих самих провідників за різних температур не рівні: e_ab(t) = e_ba(t₀). Результуюча термо-ЕРС залежить для даних провідників а і b від температур t і t₀. Щоб одержати однозначну залежність термо-ЕРС від вимірюваної температури t, необхідно іншу температуру t₀ підтримувати постійною.

Для виміру термо-ЕРС у ланцюг термоелектричного термометра включають вимірювальний прилад, причому його включення вводить у ланцюг принаймні ще один, третій провідник.

Рис. 2.4 – Термоелектричний ланцюг

Для того щоб з'ясувати, як впливає включення в ланцюг термоелектричного термометра третього провідника, розглянемо ланцюг, складений із трьох різних провідників а, b, c (рис. 2.5,а). Термо-ЕРС такого ланцюга за рівності температур усіх місць з'єднання буде:

Е_аbс (t) = е_аb (t) + е_bc (t) + е_ca(t) = 0;

чи

e_аb (t) = – е_bc (t) – е_ca (t).

Розглянемо термоелектричний ланцюг із трьох провідників, коли температура місць приєднання третього провідника с не дорівнює вимірюваній температурі (рис. 2.5, б):

E_abс(t, t₀) = e_ab(t) + e_bс(t₀) + e_са(t₀).

З цього випливає, що

e_bс(t₀) + e_са(t₀) = – e_ab(t₀).

Тоді можна записати:

E(t,t₀) = e_ab(t) – e_ab(t₀),

тобто термо-ЕРС ланцюга, складеного з трьох різнорідних провідників, не відрізняється від термо-ЕРС ланцюга, складеного з двох провідників, якщо температури місць приєднання третього провідника рівні. З закономірностей включення третього провідника можна зробити наступні висновки: включення одного, двох чи декількох провідників у ланцюг термоелектричного термометра не викликає перекручування термо-ЕРС термометра, якщо місця приєднання кожного з цих провідників будуть мати однакову температуру; робочий кінець термоелектричного термометра можна виготовляти шляхом зварювання або пайки, якщо температура у всіх точках спаю буде однакова.

На підставі особливостей включення третього провідника в ланцюг термоелектричного термометра можуть бути використані два варіанти включення вимірювального приладу ВП у ланцюг термоелектричного термометра: у розрив електрода (рис. 2.5, а) і в розрив спаю (рис. 2.5, б).

Рис. 2.5 – Включення третього провідника в ланцюг термопари

У першому випадку вимірювана температура (температура робочого кінця) буде t, температура вільних кінців, підтримувана постійною, t₀ і температури місць приєднання третього провідника з вимірювальним приладом t₁' і t₁'' . Щоб не було перекручування термо-ЕРС, що розвивається, температури t₁' і t₁'' повинні бути рівні, t₁'=t₁'', а температура вільних кінців t₀=const. В другому випадку третій провідник з вимірювальним приладом включається в розрив вільних кінців, тому місця приєднання третього провідника одночасно є вільними кінцями термоелектричного термометра. Ці температури повинні бути однакові як кінці третього провідника і постійні як вільні кінці. Якщо виконані ці умови, то включення вимірювального приладу не спотворює термо-ЕРС термометра.

а)	б)

Рис. 2.6 – Включення вимірювального приладу в ланцюг термоелектричного термометра

Для виміру температури термоелектричним термометром необхідно вимірити термо-ЕРС, що розвивається термометром, і температуру вільних кінців. Якщо температура вільних кінців термометра при вимірі температури дорівнює 0°С, то вимірювана температура визначається відразу з градуювальної характеристики (таблиць, графіків) (рис. 2.7), що встановлює залежність термо-ЕРС від температури робочого спаю.

Рис. 2.7 – Уведення виправлення на температуру вільних кінців термоелектричного термометра

Градуювальні характеристики термоелектричних термометрів визначені, як правило, за температури вільних кінців, рівній 0°С. Якщо температура вільних кінців на практиці відрізняється від 0°С, але залишається постійною, то для визначення температури робочого кінця за градуювальною характеристикою необхідно знати не тільки термо-ЕРС, що розвивається термометром, а й температуру вільних кінців t₀. Щоб увести виправлення на температуру вільних кінців t₀, якщо t₀ 0, необхідно до термо-ЕРС, що розвивається термоелектричним термометром E(t, t₀), додати E(t₀, 0), щоб одержати значення термо-ЕРС E(t, 0):

E(t,t₀,) + E(t₀,0) = E(t,0).

Рис. 2.8 – Термобатарея

Таку термо-ЕРС E(t,0) розвиває термоелектричний термометр за температури робочого спаю t і температури вільних кінців 0°С, тобто за умов градуювання.

Якщо в процесі виміру температура вільних кінців прийме якесь нове значення t₀, то термо-ЕРС, що розвивається термометром, буде E(t, t₀') (рис. 2.7) і величина виправлення на температуру вільних кінців буде E(t₀',0), а термо-ЕРС, що відповідає умовам градуювання:

E(t,t₀') + E(t₀',0) = E(t,0).

Значення виправлення на температуру вільних кінців термоелектричного термометра залежить від градуювальної характеристики термометра, обумовленої матеріалами провідників, з яких виготовлений термоелектричний термометр. Незалежно від способу уведення виправлення (розрахункового чи автоматичного) методика уведення виправлення залишається незмінною: визначається розрахунковим шляхом чи автоматично у схемі виходить значення E(t₀,0), яке потім сумується з термо-ЕРС термопари. Сумарна термо-ЕРС E(t,0) відповідає градуювальному значенню. Для рішення окремих задач вимірів температури застосовуються різні способи з'єднання термоелектричних термометрів. Найбільш розповсюджені з них – термобатарея і диференціальна термопара. Для збільшення коефіцієнта перетворення термоелектричного термометра застосовують послідовне включення декількох термопар (термобатарею) (рис. 2.8). При цьому термо-ЕРС, що розвивається термопарами, сумується, тобто термо-ЕРС термобатареї, що складається з n термопар, у n раз більше термо-ЕРС окремої термопари. Таке включення застосовують для вимірів за малих різниць температур робочого t і вільного t₀ кінців. Однак, як правило, температури в різних точках розташування робочих і вільних кінців не зовсім однакові, внаслідок неоднорідності температурних полів. Тому термобатарея, збільшуючи термо-ЕРС термометра, дозволяє зменшити похибку виміру термо-ЕРС, але не підвищує істотно точності виміру температури.

Рис. 2.9 – Диференціальний термоелектричний термометр

У деяких випадках виникає необхідність виміру різниці температур у двох точках. Для цього розташовують робочий спай термопари в одній із точок, а вільні кінці – в іншій точці (рис. 2.9). У цьому випадку термо-ЕРС, що розвивається термометром, буде визначатися температурами робочого спаю t₁ і вільних кінців t₂:

E(t₁,t₂) = e(t₁) – e(t₂).

Якщо в інтервалі температур t_{1 –} t₂ залежність термо-ЕРС від температури може бути апроксимована лінійною залежністю, то рівняння прийме вид:

E(t₁,t₂) = k (t₁ – t₂).

Така лінійна апроксимація звичайно справедлива для будь-якої термопари за різниці температур, що не перевищує 20–25 °С.

Будова термоелектричних термометрів і застосовувані матеріали. Два будь-яких різнорідних провідники можуть утворити термоелектричний термометр. Як же вибрати, які з провідників можуть бути використані для виготовлення термоелектричних термометрів і з яких провідників доцільніше виготовляти термоелектричні термометри? До матеріалів, використовуваних для виготовлення термоелектричних термометрів, пред’являється цілий ряд вимог: жаростійкість, жароміцність, хімічна стійкість, відтворюваність, стабільність, однозначність і лінійність градуювальної характеристики і ряд інших. Серед них є обов'язкові і бажані вимоги. До числа обов'язкових вимог належать стабільність градуювальної характеристики і (для стандартних термометрів) відтворюваність у необхідних кількостях матеріалів, що мають цілком певні термоелектричні властивості. Всі інші вимоги є бажаними. Наприклад, можуть бути дуже жароміцні матеріали, відтворені з однозначною і лінійною градуювальною характеристикою і високим коефіцієнтом перетворення. Але якщо градуювальна характеристика цих матеріалів нестабільна, то вимірювати таким термометром не можна. З іншого боку, матеріали, що мають низький коефіцієнт перетворення, нелінійну градуювальну характеристику, але стабільну характеристику, використовуються для термоелектричних термометрів.

Відповідно до стандартів будуть застосовуватися наступні стандартні термоелектричні термометри.

Мідь-копелеві та мідь-міднонікелеві типу Т (близькі до мідь-константанових) термоелектричні термометри застосовуються головним чином для виміру низьких температур у промисловості і лабораторній практиці. Застосування цих термометрів для температур менше –200 °С ускладнюється істотним зменшенням коефіцієнта перетворення зі зменшенням температури. За температур понад 400 °С починається інтенсивне окислювання міді, що обмежує застосування термометрів цих типів.

Залізо-міднонікелеві, близькі до залізо-константанових термоелектричних термометрів типу J, застосовуються в широкому діапазоні температур від –200 до +700 °С, а короткочасно – і до 900 °С. Вони мають досить великий коефіцієнт перетворення (близько 55 мкВ/°С). Верхня межа виміру обмежена окислюванням заліза та міднонікелевого сплаву.

Таблиця 2.3 – Стандартні термоелектричні термометри

Хромель-копелеві термоелектричні термометри мають найбільший коефіцієнт перетворення з усіх стандартних термометрів (близько 70–90 мкВ/°С). Для термометрів з термоелектродами діаметром менше 1 мм верхня межа тривалого застосування менше 600 °С і складає, наприклад, для термоелектродів діаметром 0,2–0,3 мм тільки 400°С. Верхня межа застосування визначається стабільністю характеристик копелевого термоелектрода.

Нікельхром-міднонікелеві (тип Е), близькі до хромель-константанових і нікельхром-нікельалюмінієвих (тип К) термометрів, які раніше називались хромель-алюмелевими, застосовуються для виміру температури різних середовищ у широкому інтервалі температур. Термоелектрод з нікель-алюмінієвого дроту менш стійкий до окислювання, ніж нікельхромовий. Верхні межі застосування залежать від діаметра термоелектродів. Для термоелектродів діаметром 3–5 мм верхня межа тривалого застосування нікельхром-нікельалюмінієвих термометрів складає 1000 °С, а для діаметра 0,2–0,3 мм – не більше 600 °С. Для нікельхром-міднонікелевої термопари він не перевищує 700 °С.

Усі перераховані вище термоелектричні термометри з неблагородних матеріалів добре стоять в інертній і відбудовній атмосфері, в окисній атмосфері їх термін служби обмежений. Крім того, термоелектричні термометри хромель-копелеві та нікельхром-нікельалюмінієві (хромель-алюмелеві) відрізняються досить високою стабільністю градуювальної характеристики за високої інтенсивності іонізуючих випромінювань.

Платинородій-платинові термоелектричні термометри (тип S) можуть довгостроково працювати в інтервалі температур від 0 до 1300 °С, а короткочасно – до 1600 °С. Позитивний термоелектрод являє собою сплав, що складається на 10 % з родію і на 90 % із платини, негативний термоелектрод складається з чистої платини. Ці термометри зберігають стабільність градуювальної характеристики в окисному і нейтральному середовищах. У відбудовній атмосфері платинородій-платинові термометри працювати не можуть, тому що відбувається істотна зміна термо-ЕРС термометра. Так само несприятливо впливає на платинородій-платинові термометри контакт із вуглецем, парами металів, з'єднаннями вуглецю і кремнію, а також низкою інших матеріалів, що забруднюють термоелектроди. Слід зазначити, що градуювальна характеристика типу S не збігається з градуювальною характеристикою ПП, що застосовувалася раніше.

Платинородій-платинородієві термоелектричні термометри (тип В) застосовуються довгостроково в інтервалі температур від 300 до 1600°С, короткочасно – до 1800 °С. Позитивний електрод – сплав з 30 % родію і 70 % платини, а негативний – з 6 % родію і 94 % платини. Ці термометри відрізняються більшою стабільністю градуювальної характеристики, ніж платинородій-платинові, але вони також погано працюють у відбудовному середовищі. У зв'язку з тим що термо-ЕРС, що розвивається платинородій-платинородієвими термометрами в інтервалі температур 0–100 °С, незначна, при технічних вимірах їх можна застосовувати без термостатуювання вільних кінців. Наприклад, якщо температура вільних кінців 70 °С і виправлення на неї не вводиться, то за температури робочого спаю 1600 °С це викликає похибку близько 2,1 °С. Градуювальна характеристика типу В також не збігається з градуювальною характеристикою ПР.

Вольфрамреній-вольфрамренієві термоелектричні термометри призначені для тривалого виміру температур від 0 до 2200 °С і короткочасно до 2500°С в вакуумі, у нейтральному і відбудовному середовищах. Позитивний термоелектрод – сплав з 95% вольфраму і 5% ренію, негативний – сплав з 80% вольфраму і 20% ренію.

Рис. 2.10 – Будова термоелектричного термометра

Для зручності застосування термоелектричний термометр спеціальним чином армується. При цьому переслідуються наступні цілі: електрична ізоляція термоелектродів, захист термоелектродів від шкідливого впливу вимірюваного і навколишнього середовищ; захист термоелектродів і затисків виводів термоелектродів від забруднень і механічних ушкоджень; надання термоелектричному термометру необхідної механічної міцності; забезпечення зручності монтажу на технологічному устаткуванні та зручності підключення сполучних проводів. На рис. 2.10 показана будова термоелектричного термометра. Термоелектроди 1 розташовані так, що їх спай 2 стосується захисного чохла 3. На термоелектроди одягнуті ізоляційні намиста 4. На кінці захисного чохла кріпиться головка термометра 5. У головці розташована колодка 6 із затисками 7 для термоелектродів і сполучних проводів 8.

Робочий спай термоелектричного термометра найчастіше виготовляється шляхом зварювання, в окремих випадках застосовують пайку.

Рис. 2.11 – Зовнішній вигляд деяких термоелектричних термометрів

а)
б)

Рис. 2.12 – Будова термометрів кабельного типу: а) з ізольованим спаєм, б – з неізольованим спаєм

Для захисту термоелектродів від впливу вимірюваного середовища їх поміщають у захисний чохол з газонепроникних матеріалів, що витримують необхідні високі температури і тиски середовища. Захисні чохли виготовляють найчастіше з різних марок сталі для температур до 1000 °С. За більш високих температур застосовуються спеціальні чохли з тугоплавких з'єднань Ці чохли виготовляються з діборида цирконію з молібденом для виміру температури сталі, чавуну і відбудовного газового середовища до 2200 °С. Для виміру розплавленого скла й окисного газового середовища до 1700 °С застосовуються чохли з дісиліцида молібдену. Більшість конструкцій захисної арматури термоелектричних термометрів на даний час уніфіковані. Вони відрізняються в основному конструкцією захисних чохлів, розрахованих на різні тиски, і конструкцією штуцерів. Головка до захисних чохлів для багатьох модифікацій та сама.

Термометри опору і методи виміру опору. Принцип дії термометрів опору базується на здатності різних матеріалів (у першу чергу металів) змінювати свій електричний опір зі зміною температури. Параметр, що характеризує зміну електричного опору з температурою, називають температурним коефіцієнтом електричного опору. Для матеріалів, у яких температурний коефіцієнт не залежить від температури, він може бути визначений як

,

де R_t і R₀ – опір за температури t і 0°С.

Для матеріалів, у яких температурний коефіцієнт залежить від температури, він може бути визначений тільки для кожного значення температури як

.

Температурний коефіцієнт виражається в °С^-1 чи К^-1. Для більшості чистих металів температурний коефіцієнт знаходиться в межах 0,0035–0,0065 К^-1. У сплавів цей коефіцієнт істотно менше й у деяких випадках наближається до нуля (для манганіну складає 2 х 10^-5 К^-1). Для напівпровідникових матеріалів температурний коефіцієнт негативний і на порядок більше, ніж у металів (0,01–0,15 К^-1).

Термометри опору з чистих металів, як правило, виготовляють шляхом спеціального намотування тонкого дроту на каркас з ізоляційного матеріалу. Для запобігання ушкодженням дріт разом з каркасом поміщають у захисну оболонку. На даний час застосовуються й інші конструкції термометрів опору.

Матеріали, застосовувані для виготовлення технічних термометрів опору, повинні відповідати тим же обов'язковим вимогам, що пред'являються до матеріалів, які йдуть на виготовлення термоелектричних термометрів. По-перше, це вимога стабільності градуювальної характеристики і, по-друге, вимога відтворюваності. Якщо не виконується хоча б одна з цих вимог, матеріал не може бути використаний для серійного виготовлення технічних термометрів. Всі інші вимоги: висока чутливість, лінійність градуювальної характеристики, великий питомий опір та ін. – є не обов'язковими, а бажаними. На сьогодні для виготовлення термометрів опору застосовуються наступні метали: мідь, платина і нікель. Мідь є дешевим матеріалом, що може бути високої чистоти. Вона може бути отримана у вигляді тонких дротів у різній ізоляції. Опір міді змінюється з температурою практично лінійно:

,

де R_t і R₀ – опір термометра за температури t і 0°С;

a – температурний коефіцієнт опору мідного дроту, a = 4,28 х 10^-3 К^-1.

У зв'язку з окислюваністю міді вона використовується для виміру температур не вище 200 °С. До числа недоліків міді слід віднести малопитомий опір: r=0,17х10^-7 Ом∙м. Питомий опір впливає на габарити термометра опору: чим менше питомий опір, тим більше потрібно дроту, щоб намотати такий же опір, тим більше габарити термометра.

Мідні термометри опору можуть застосовуватися для тривалого виміру температури від –200 до +200 °С. Вони випускаються II і III класів. Номінальні опори при 0°С складають 10, 50 і 100 Ом.

Межа основної похибки, що допускається, обирається з ряду 0,2; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 5; 10 і °20 С. Для термометрів II класу він, як правило, складає 0,3 чи 0,5 °С, а для III класу 1 чи 2°С.

На теперешній час випускаються нікелеві термометри опору на інтервал температур від –60 до +180 °С. Вони випускаються III класу. Номінальні опори при 0°С складають 50 і 100 Ом. Нікель володіє високим температурним коефіцієнтом, що сягає a = 6,75 х 10^-3 К^-1, і великим питомим опором r = 1,28 х 10^-7 Ом^.м, що дозволяє одержувати досить малогабаритні термометри з великим коефіцієнтом перетворення. Номінальне відношення R₁₀₀/R₀ для слабко легованого нікелю встановлено 1,617±0,004.

Чиста платина є одним з найбільш розповсюджених металів, застосовуваних для виготовлення термометрів опору. Платина відповідає обов'язковим вимогам, пропонованим до матеріалів для виготовлення термометрів опору. Платинові термоперетворювачі опору застосовуються для виміру температур від –260 до +1100 °С. Опір платини має складну нелінійну залежність від температури.

Платинові термометри опору можуть мати наступні опори при 0°С: 1, 5, 10, 50, 100 і 500 Ом. Цим термоперетворювачам опору привласнені наступні умовні позначки номінальної статичної характеристики перетворення: 1П, 5П, 10П, 50П, 100П і 500П (термометри з опором R₀ = 46 Ом позначаються гр. 21). Одним з недоліків платини є її забруднення у відбудовному середовищі парами металів, окислами вуглецю та інших речовин. Особливо сильно це виявляється за високих температур.

Крім металів для виготовлення термометрів опору, застосовують також напівпровідникові матеріали: германій, окисли міді, марганцю, кобальту, магнію, титана та їх суміші. Більшість напівпровідникових матеріалів має великий негативний температурний коефіцієнт опору і також дуже великий питомий опір. Тому можна виготовляти дуже малі за розмірами чутливі елементи термоперетворювачів опору, що мають значний коефіцієнт перетворення. Залежність опору напівпровідникового термоперетворювача (терморезистора) від температури може бути описана виразом:

.

Значення R₀ визначається опором термометра за температури Т₀ [як правило, Т₀=293 К (20°С)], а значення В залежить від матеріалу напівпровідника, з якого виготовляється термометр. У зв'язку з тим, що технологія одержання напівпровідникових термоперетворювачів опору не дозволяє виготовляти їх з ідентичними характеристиками (вони не відповідають цілком вимозі відтворюваності), усі напівпровідникові термоперетворювачі опору мають індивідуальні градуювальні характеристики. Особливо великого поширення одержали германієві терморезистори для виміру температур від 1,5 К і вище. Для інтервалу від 4,2 до 13,81 К вони застосовуються для відтворення температурної шкали. Германієві терморезистори, застосовувані для технічних вимірів, мають межу похибок, що допускаються, ± (0,05-0,1) К. Для виміру температур від –100 до +300 °С застосовуються окисні напівпровідникові матеріали. Коефіцієнти перетворення напівпровідникових терморезисторів можуть бути на кілька порядків вище, ніж у термометрів опору з чутливим елементом з металевого дроту. Однак необхідність індивідуального градуювання (або визначення значень А і В) істотно обмежує можливості широкого застосування напівпровідникових терморезисторів для виміру температури.

Напівпровідникові терморезистори знаходять широке застосування в системах температурної сигналізації. Це викликано тим, що вони мають здатність змінювати свій опір за досягнення певної температури стрибкоподібно в кілька разів, що викликає відповідне збільшення струму і спрацьовування системи сигналізації (релейний ефект).

Чутливий елемент металевого термометра опору складається, як правило, з дроту або стрічки, намотаної на каркас зі скла, кварцу, кераміки, слюди чи пластмаси. Від чутливого елемента йдуть виводи до затисків головки термометра, до яких приєднуються проводи, що йдуть потім до вимірювального приладу. Варіант пристрою термометра опору приведений на рис. 2.13. Чутливий елемент термометра опору виконується у вигляді спіралі з дроту, поміщеної в чотирьохканальний керамічний каркас. Для захисту від механічних ушкоджень і шкідливого впливу вимірюваного чи навколишнього середовища чутливий елемент поміщений у захисну оболонку, ущільнену керамічною втулкою. Виводи чутливого елемента проходять через ізоляційну керамічну трубу. Усе це знаходиться в захисному чохлі 1, установленому на об'єкті виміру за допомогою різьбового штуцера 3. На кінці захисного чохла розташовується сполучна головка термометра. У головці знаходиться ізоляційна колодка 2 із гвинтами для кріплення виводів термометра і підключення сполучних проводів. Головка закривається кришкою. Сполучні проводи виводяться через штуцер. Для зменшення впливу зовнішніх електричних і магнітних полів чутливі елементи термометрів опору роблять з безіндуктивним намотуванням.

Рис. 2.13 – Будова термометра опору

Рис. 2.14 – Чутливий елемент платинового термометра опору

Чутливий елемент мідного термометра опору складається з мідного ізольованого дроту діаметром 0,1 мм, намотаного в кілька шарів на циліндричний каркас з пластмаси або металу. Шари дроту скріплюються між собою і каркасом лаком. До обох кінців дроту припаюються мідні виводи діаметром 1–1,5 мм. Чутливий елемент поміщають у захисну оболонку. Крім каркасних випускаються безкаркасні чутливі елементи мідних термометрів опору. Чутливий елемент виготовляється з ізольованого дроту діаметром 0,08 мм безіндуктивним безкаркасним намотуванням. Окремі шари скріплені лаком, і потім весь чутливий елемент обернутий фторопластовою плівкою. Чутливий елемент поміщають у тонкостінну захисну металеву оболонку, яка засипається керамічним порошком і герметизується.

Чутливий елемент платинових термометрів складається з двох чи чотирьох платинових спіралей, розташованих у капілярних каналах керамічного каркаса 2 (рис. 2.14). Канали каркаса заповнюються керамічним порошком 3, що служить ізолятором і створює підпружування спіралей. До кінців спіралей припаяні виводи 4 із платинового або іридієво-родієвого дроту. Чутливий елемент у керамічному каркасі герметизується спеціальною глазур'ю 5. Така конструкція забезпечує гарну герметичність через малу газопроникність кераміки каркаса і глазурі. Закріплення спіралі тільки у двох точках забезпечує незначну механічну напругу. Чутливі елементи виявляються внаслідок щільного засипання простору між спіралями і каркасом керамічним порошком досить міцними і вібростійкими. Вони можуть застосовуватися в інтервалі температур від –260 до +1000°С. Спеціально для низькотемпературних вимірів розроблені конструкції мініатюрних платинових термометрів опору.

В експлуатації застосовуються чутливі елементи платинових термометрів опору зі слюдяним каркасом, на якому намотаний спеціальним чином неізольований платиновий дріт. У лабораторній практиці застосовуються платинові термометри опору з каркасом з кварцу або спеціального скла також з неізольованим платиновим дротом. Труднощі покриття платини ізоляційними лаками та емалями не давали можливості одержувати платиновий дріт в ізоляції, що істотно утрудняло розробку малогабаритних і надійних платинових термометрів опору.

Рис. 2.15 – Чутливий елемент германієвого термометра опору

Германієві термометри опору для низькотемпературних вимірів являють собою мідну луджену гільзу (рис. 2.15), що заповнена газоподібним гелієм і закрита герметичною пробкою 2. Усередині гільзи знаходиться монокристал германія 3, легований сурмою. До кристала приварені чотири золотих провідники 4, до яких припаяні платинові виводи 5. Кристал ізольований плівкою 6. Такі термометри застосовуються для виміру температур від 1,5 до 50 К.

У лабораторній практиці іноді зустрічаються платинові термометри закордонного виробництва, які являють собою платиновий дріт або стрічку, запаяну у скло. Такі термометри можуть надійно працювати до 500–600 °С. За більш високих температур скло стає електропровідним і, крім того, температурні напруги можуть істотно спотворити результати виміру.

Пірометри. Усі розглянуті вище термометри для виміру температури (термометри розширення, термоелектричні й опору) передбачають безпосередній контакт між чутливим елементом термометра і вимірюваним тілом чи середовищем. Тому такі методи виміру температури іноді називаються контактними. Верхня межа застосування контактних методів обмежується значеннями 1800–2200 °С. Однак у ряді випадків у промисловості і при дослідженнях виникає необхідність вимірювати більш високі температури. Крім того, часто неприпустимий безпосередній контакт термометра з вимірюваним тілом чи середовищем. У цих випадках застосовуються безконтактні засоби виміру температури, що вимірюють температуру тіла чи середовища за тепловим випромінюванням. Такі засоби виміру називаються пірометрами. Пірометри, що серійно випускаються, застосовуються для виміру температур від 20 до 6000 °С.

Безконтактні методи виміру теоретично не мають верхньої межі виміру і можливості їх використання визначаються відповідністю спектрів випромінювання вимірюваних тіл чи середовищ і спектральних характеристик пірометрів. Якщо для яких-небудь умов можуть бути використані і контактні, і безконтактні методи виміру, то, як правило, перевагу слід віддати контактним, тому що вони дозволяють забезпечити більш високу точність виміру.

Усі тіла випромінюють електромагнітні хвилі різної довжини l чи частоти n. Електромагнітне випромінювання, порушуване тепловим рухом молекул, називають тепловим випромінюванням. Це випромінювання має місце за температур до 4000 °С як результат коливального або обертального руху молекул. За більш високих температур випромінювання викликається в основному процесами дисоціації та іонізації.

Якщо випромінювання якого-небудь тіла падає на інше, непрозоре для цього випромінювання тіло, то воно поглинається на поверхні і перетворюється на теплоту. Взагалі процеси поглинання і випромінювання взаємно оборотні. Промені, що падають ззовні на поверхню тіла, можуть цілком або частково відбиватися від поверхні, поглинатися тілом, проходити через тіло.

Існує велике число різних методів виміру температури тіл за випромінюванням, але для виміру високих температур у реальних технологічних процесах застосовуються наступні типи пірометрів: квазімонохроматичний, повного випромінювання і спектрального відношення. У ряді випадків у зв'язку з технічними труднощами реалізації методу повного випромінювання застосовуються пірометри часткового випромінювання.

Залежно від методу виміру, пірометри поділяються на квазімонохроматичні, спектрального відношення (чи спектрального розподілу), повного (чи часткового) випромінювання. У назві пірометра може вказуватися тип приймача випромінювання, наприклад фотоелектричний (фотоелемент, фоторезистор, фотодіод тощо) чи термоелектричний (термобатарея). Іноді в назві пірометра вказується спосіб порівняння випромінювання об'єкта виміру з випромінюванням еталонного джерела, наприклад пірометр зі зникаючою ниткою або пірометр з оптичним клином.

Квазімонохроматичний пірометр зі зникаючою ниткою. На рис. 2.16 представлена принципова схема оптичного пірометра. Випромінювання від об'єкта виміру 1 проходить через об'єктив 2 і фокусується в площині 3. У цій же площині розташована нитка пірометричної лампи 4. Зображення об'єкта виміру і нитки пірометричної лампи може бути розглянуто спостерігачем 6 (пірометристом) через окуляр 5. Між ниткою пірометричної лампи й окуляром розташовується червоний світлофільтр 7. Між об'єктивом і ниткою пірометричної лампи може вводитися поглинаюче скло 8. Для зміни розжарення нитки застосовується реостат 9, який змінює струм, що проходить через нитку пірометричної лампи від джерела живлення 10. Значення струму виміряється приладом 11, відградуйованим у значеннях яскравісної температури.

Рис. 2.16 – Принципова схема квазімонохроматичного пірометра

Перед початком вимірів проводиться настроювання оптичної системи (об'єктив-окуляр) таким чином, щоб зображення об'єкта виміру і нитка пірометричної лампи знаходилися в одній площині. Це досягається переміщенням об'єктива. Крім того, необхідно, щоб нитка пірометричної лампи на зображенні об'єкта виміру була видна спостерігачу чітко, різко. Це досягається переміщенням окуляра.

Квазімонохроматичний пірометр передбачає вимір температури по спектральній енергетичній яскравості тіла, тобто по випромінюванню за певної довжини хвилі. Для монохроматизації (виділення певної довжини хвилі) випромінювання в пірометрі встановлюється червоний світлофільтр. На рис. 2.17, а представлені спектральні характеристики людського ока Р (l) і червоного світлофільтра і показано, що через червоний світлофільтр людське око сприймає випромінювання у вузькій ділянці спектра з ефективною довжиною хвилі l_еф = 0,65 мкм (рис. 2.17, б). Принципово в пірометрі може бути застосований будь-який світлофільтр (синій, зелений), який виділяє вузьку смугу довжин хвиль. Червоний світлофільтр зручний тим, що має різку границю пропущення поблизу краю видимого оком спектра. Крім того, якщо порівняти спектральні енергетичні яскравості в червоному і синьому світлі, то за температур 800 – 1000 К вони розрізняються на шість-сімь порядків. Тому з червоним фільтром можна вимірювати більш низькі температури, а виходить, можна понизити нижню межу виміру пірометра.

Процес виміру зводиться до зміни розжарення нитки пірометричної лампи, а виходить, і її яскравості доти, поки око спостерігача не перестане розрізняти нитку пірометричної лампи на тлі об'єкта виміру: нитка “зникає” на тлі об'єкта виміру. У цей момент роблять відлік значення температури, тому що спектральна енергетична яскравість реального тіла (об'єкта виміру) і спектральна енергетична яскравість нитки пірометричної лампи рівні.

а)

б)

Рис. 2.17 – Спектральні характеристики: а) людського ока Р (l) і червоного світлофільтра t (l); б) випромінювання, сприйманого оком через червоний світлофільтр

Пірометр градуюється за випромінюванням абсолютно чорного тіла, тому можна вважати, що при “зникненні” нитки пірометричної лампи на тлі об'єкта виміру наступила рівність спектральної енергетичної яскравості реального тіла і спектральної енергетичної яскравості абсолютно чорного тіла. Хоча сама нитка пірометричної лампи не є абсолютно чорним тілом, але в процесі градуювання випромінювання нитки за певних значень струму розжарення зіставлено з випромінюванням абсолютно чорного тіла за його відповідних температур. Тому відомо, що при даному розжаренні нитки спектральна енергетична яскравість її випромінювання відповідає випромінюванню абсолютно чорного тіла за певної температури. Струм розжарення в пірометрі не може бути більше певного значення, яке відповідає яскравісній температурі близько 1500 °С. Для можливості виміру більш високих температур у пірометрі між об'єктивом і пірометричною лампою встановлюється поглинаюче скло 8. Це скло ослабляє випромінювання від об'єкта виміру. Ступінь ослаблення енергетичної яскравості об'єкта виміру визначається коефіцієнтом пропущення t_l поглинаючого скла. Звідси можна записати:

1/T' – 1/T = l/C₂ ln t_l = A,

де T' – температура за шкалою пірометра з поглинаючим склом, К;

T – температура за шкалою пірометра без поглинаючого скла, К;

A – пірометричний коефіцієнт ослаблення, К^-1.

Квазімонохроматичні пірометри випускаються з різними верхніми межами виміру до 5000 °С з використанням поглинаючих стекол з різними коефіцієнтами пропущення.

Розглянутий варіант квазімонохроматичного пірометра передбачає порівняння спектральних енергетичних яскравостей реального і чорного тіл (чи нитки пірометра, відградуйованої по випромінюванню чорного тіла) людським оком.

На даний час існує велика група автоматичних пірометрів, які називаються фотоелектричними. У зв'язку з тим що псевдотемпература, показувана пірометром, визначається в першу чергу методом, а не засобом виміру, у ГОСТ 13417-76 немає засобів виміру за назвою “фотоелектричний пірометр”, тому в назві будь-якого пірометра повинен обов'язково вказуватися метод виміру, наприклад квазімонохроматичний фотоелектричний пірометр чи фотоелектричний пірометр часткового випромінювання, чи фотоелектричний пірометр спектрального відношення, де зазначено, за яким методом здійснюється вимір. У фотоелектричних пірометрах як світлочутливий елемент застосовуються фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори і фотопомножувачі. Залежно від функції, виконуваної світлочутливим елементом, усі фотоелектричні пірометри можна розділити на дві групи: в одній фотоелемент порівнює світлові потоки від двох джерел випромінювання і працює в режимі нуль-приладу, а інший фотоелемент виробляє сигнал, який однозначно залежить від світлового потоку, а виходить, від температури вимірюваного тіла. У першому випадку будова приладу виявляється більш складною, але зате його показання не залежать від характеристик фотоелемента й електронної схеми та їх зміни в часі. В другому випадку будова приладу простіше, але його показання можуть істотно мінятися в процесі експлуатації.

Розглянемо принципову схему квазімонохроматичного фотоелектричного пірометра типу ФЕП-4 (рис. 2.18).

Рис. 2.18 – Принципова схема квазімонохроматичного фотоелектричного пірометра

Відмінною рисою цього пірометра є те, що спектральні характеристики фотоелемента і червоного світлофільтра дозволяють одержати ефективну довжину хвилі (за якої пірометр сприймає випромінювання), близьку чи практично рівну ефективній довжині хвилі квазімонохроматичного пірометра зі зникаючою ниткою (рис. 2.16). Тому яскравісна температура, відлічена за ФЕП, і яскравісна температура, визначена за пірометром зі зникаючою ниткою, будуть близькі або для пірометра з нижньою межею виміру 800 °С практично рівні.

Рис. 2.19 – Принципова схема пірометра спектрального відношення

Випромінювання вимірюваного тіла 1 через об'єктив 2 і діафрагму 3 направляється через червоний світлофільтр 4 на фотоелемент 5. На цей же фотоелемент надходить випромінювання від випромінювача порівняння 8. Фотострум, що виникає у фотоелементі, підсилюється в підсилювачі 6 і надходить на силовий блок 7, який змінює струм живлення випромінювача порівняння (лампи зворотного зв'язку) 8.

Світлові потоки від вимірюваного тіла і випромінювача порівняння надходять на фотоелемент не одночасно, а по черзі. Для цього у схемі передбачений електромагнітний вібратор 9 із заслінкою, що відкриває світловий потік то від вимірюваного тіла, то від випромінювача порівняння. Якщо світлові потоки від вимірюваного тіла і випромінювачі порівняння не рівні, то й імпульси фотострумів у відповідні моменти часу будуть також не рівні. У цьому випадку підсилювач 6 і блок 7 будуть змінювати струм живлення випромінювача 8 доти, поки фотоструми у фотоелементі в обидва напівперіоди не будуть рівні. За рівності фотострумів в обидва напівперіоди зміни струму живлення випромінювача не відбувається. Таким чином, струм живлення випромінювача порівняння однозначно визначається світловим потоком від вимірюваного тіла, що у свою чергу залежить від температури вимірюваного тіла. Струм живлення випромінювача порівняння вимірюється автоматичним потенціометром за спаданням напруги на зразковому резисторі 10.

Пірометри ФЕП градуюються за випромінюванням абсолютно чорного тіла, тому температура, відлічена на автоматичному потенціометрі, при вимірі реальних тіл буде яскравісною температурою цього реального тіла. Перехід до дійсної температури може бути здійснений за виразом:

;

слід мати на увазі, що в пірометрах з діапазоном виміру 800–4000 °С ефективна довжина хвилі 0,65 мкм та їх показання порівняні з показаннями візуальних квазімонохроматичних пірометрів. У пірометрах ФЕП з нижньою межею виміру нижче 800 °С ефективна довжина хвилі лежить в інтервалі 0,9–1,1 мкм, тому їх показання трохи відрізняються від показань візуальних пірометрів.

Пірометри типу ФЕП широко застосовуються для безупинного виміру температури в прокатному виробництві. Час установлення показань приладу складає близько 1 с, основна похибка 1% за верхньої межі виміру до 2000°С або 1,5% за верхньої межі більше 2000 °С. Переважна більшість закордонних фотоелектричних пірометрів працюють як пірометри часткового випромінювання з робочим діапазоном довжин хвиль шириною від 0,2 до 2 мкм.

Пірометри спектрального відношення для промислових вимірів температури, як правило, випускаються автоматичними. Тому їх вірніше називати фотоелектричними пірометрами спектрального відношення. Залежно від спектральних характеристик фотоелементів, вони сприймають випромінювання у видимій чи в інфрачервоній області спектра. Існує велике число різних за принципом побудови схем пірометрів спектрального відношення, кожна з яких має свої позитивні і негативні властивості. Розглянемо одну зі схем фотоелектричного пірометра спектрального відношення (рис. 2.20). Випромінювання від вимірюваного тіла 1 надходить в об'єктив 2 пірометра і потім на фільтр із фосфіду індію 3, на якому світловий потік частково відбивається і через дзеркало 4 направляється на кремнієвий фотоелемент 5, на якому під впливом світла виникає фото-ЕРС U_l1. Інша частина світлового потоку частково пропускається фільтром 3 і через дзеркало 6 направляється на фотоелемент 7, на якому виникає фото-ЕРС U_l2. Ефективна довжина хвилі відбитого фільтром 3 випромінювання l₁ = 0,888 мкм, а довжина хвилі випромінювання, що пройшло через фільтр 3, l₂=1,034 мкм. Вихідна напруга U_l фотоелемента 7 врівноважується частиною вихідної напруги фотоелемента 5 на реохорді 8 компенсатора напруг. Положення движка реохорда 8 пропорційно відношенню U_l2 / U_l1, тобто пропорційно відношенню спектральних енергетичних яскравостей яке визначається колірною температурою Т_ц вимірюваного тіла. Якщо U_l2 не урівноважено на реохорді 8, то на вхід підсилювача 9 буде надходити сигнал, що буде обертати реверсивний двигун 10, який переміщає движок реохорда 8 до настання зрівноважування. У ланцюг фотоелемента 7 додатково подається опорна напруга до резистора 11 від стабілізатора напруги 12.

Колірні пірометри випускаються на межу виміру від 200 до 2800°С з піддіапазонами по 200–800 °С. Межа основної похибки колірних пірометрів не перевищує 1 % верхньої межі виміру кожного піддіапазону.

На даний час одержав поширення так званий пірометр істинної температури ПІТ-1, який являє собою пірометр спектрального відношення, що здійснює автоматичне введення виправлень, які обчислюються на основі інформації, що зберігається в пам'яті приладу. Пірометр розрахований на діапазон виміру 800–2000 °С. Похибка виміру істинної температури внаслідок зміни коефіцієнта теплового випромінювання вимірюваного тіла від 0,3 до 1 не перевищує ±1 %.

Пірометри повного випромінювання є найбільш простими за будовою. Комплект пірометра складається з первинного перетворювача (телескопа) і вторинного приладу. Як чутливий елемент, що сприймає випромінювання, застосовуються найчастіше термобатареї з декількох термоелектричних термометрів або спеціальних термозалежних резисторів – болометрів. Для концентрації випромінювання на спаях термобатареї чи на чутливому елементі болометра застосовують рефракторні (з лінзою, що збирає) чи рефлекторні (з увігнутим дзеркалом) оптичні системи. Для того, щоб одержати однозначну залежність термо-ЕРС термобатареї (чи опору болометра) від потоку випромінювання, необхідно підтримувати вільні кінці термобатареї (чи корпус болометра) за постійної температури.

Принципова схема рефракторного пірометра з термобатареєю наведена на рис. 2.20, а, а рефлекторного пірометра – на рис. 2.20, б. Випромінювання від вимірюваного тіла 1 надходить на об'єктив (лінзу) телескопа 2 (рис. 2.20, а) і через діафрагму 3 фокусується на гарячих спаях термобатареї 4, укладеної в спеціальну колбу. Паралельно до термобатареї включений мідний резистор 5, призначений для автоматичної компенсації зміни температури корпуса пірометра, за якої знаходяться вільні кінці термобатареї. Термо-ЕРС надходить на вимірювальний прилад 9. Для візування телескопа на об’єкт виміру служать окуляр 6 і діафрагма 7, через які спостерігач 8 здійснює візування.

а)

б)

Рис. 2.20 – Принципові схеми пірометрів повного випромінювання: а) рефракторного; б) рефлекторного

У рефлекторному телескопі (рис. 2.20, б) випромінювання через інфрачервоний фільтр 2 і діафрагму 3 попадає на рефлектор (увігнуте дзеркало) 6, відбивається, а потім фокусується на гарячих спаях термобатареї 4. Місток 5 з мідним опором служить для автоматичного уведення виправлення на температуру вільних кінців, що знаходяться в корпусі. Візування телескопа здійснюється спостерігачем 8 через отвір для візування 7.

Пірометри повного випромінювання, що випускаються серійно, типу АПИР-С призначені для виміру температури в діапазоні від 30 до 2500 °С. Спеціально виготовлені пірометри застосовуються в інтервалі від –100 до 3500 °С. У систему АПИР-С входять також пірометри часткового випромінювання зі спектральним діапазоном сприйманого випромінювання 0,7–1,1 і 0,8–1,8 мкм і тому псевдотемператури, вимірювані цими пірометрами, не порівняні ні з Т_р, ні з Т_я.

Для зменшення методичної похибки пірометрів повного випромінювання, викликаною невизначеністю інтегрального коефіцієнта теплового випромінювання, часто в промислових умовах створюються умови, що наближаються до випромінювання чорного тіла. Наприклад, для виміру температури поверхонь використовуються вогнетривкі чи металеві блоки (рис. 2.21, а), для виміру температури газів і рідких середовищ – вогнетривкі трубки (рис. 2.21, б), на денце яких візується телескоп пірометра.

а)	б)

Рис. 2.21 – Пристрій для наближення випромінювання реальних тіл до випромінювання чорного тіла: а) порожнина чорного тіла; б) чорна трубка

За певної шорсткості поверхні чи блока трубки і за малого відношення d/l коефіцієнт теплового випромінювання такої штучної порожнини чорного тіла наближається до 1, і немає необхідності уводити виправлення в показання пірометра на нечорність випромінювання, тому що псевдотемпература, що показується пірометром, буде практично дорівнювати дійсній температурі тіла.

Термометри і пірометри для спеціальних вимірів температури. Практичні виміри температури відрізняються надзвичайною розмаїтістю умов виміру і вимог, пропонованих до засобів виміру. Усе це змушує ретельно аналізувати й удосконалювати методи і засоби виміру стосовно конкретних умов і вимог. У більшості випадків намагаються використовувати термометри і пірометри, що серійно випускаються приладобудівними заводами. Однак у ряді випадків через особливості умов виміру температури застосовуються термометри спеціального призначення. Деякі з найбільш характерних особливих умов виміру, застосовувані методи і засоби виміру розглянуті нижче.

Вимір температури поверхонь. Вимір температури поверхонь здійснюється як контактними, так і безконтактними методами. При вимірі температури поверхонь контактними термометрами звичайно існують дві проблеми: 1) забезпечення рівності температур термометра і вимірюваної поверхні; 2) виключення можливого перекручування температури чи температурного поля поверхні в місці виміру термометром.

Для забезпечення рівності температур термометра і вимірюваної поверхні необхідно створити найкращі умови теплопередачі від поверхні об'єкта виміру до термометра. У зв'язку з цим навіть дуже малі повітряні зазори або шари матеріалів з низькою теплопровідністю між вимірюваною поверхнею і термометром можуть істотно спотворити результати виміру. Для забезпечення гарного теплового контакту бажано спеціально виготовлений термометр приклеювати, припаювати або приварювати до поверхні. Можливе механічне закарбування спаю на поверхні об'єкта, але тільки у випадку неокислюваності поверхонь об'єкта і термометра в умовах виміру.

Перекручування температури чи температурного поля поверхні об'єкта виміру буде відбуватися в тому випадку, якщо термометр служить причиною додаткового підведення чи відведення теплоти від вимірюваної поверхні. У зв'язку з цим намагаються створити такі умови, щоб не було додаткового теплообміну в місці виміру температури поверхні. Іноді, коли не можна уникнути теплообміну через термометр, намагаються перенести цей теплообмін із точки (місця) виміру температури в іншу точку. На рис. 2.22 показана зміна температури поверхні за рахунок відведення теплоти по електродах термоелектричного термометра. У точці торкання електродами поверхні А температура поверхні t'_п істотно відрізняється від значення t_п, що має місце удалині від точки А. У точці А температура t_п може навіть наближатися до температури навколишнього середовища t_о.с. На відстані l від точки А температура поверхні і рівна їй температура термометра мають значення t_Т. Температура поверхні в точці виміру в цьому випадку практично дорівнює температурі поверхні без термометра.

Рис. 2.22 – Зміна температури поверхні при відведенні теплоти по електродах термоелектричного термометра

Для безупинного виміру температури поверхні, наприклад, трубопроводу термометр часто притискають до поверхні спеціальним затиском (рис. 2.23). Наявність ізоляції трубопроводу практично виключає відведення (чи підведення) теплоти від місця виміру, і тому термометр не спотворює температури поверхні, а гарний тепловий контакт між термометром і поверхнею шляхом затиску забезпечує рівність температур термометра і поверхні.

Рисунок 2.23 – Поверхневий термометр із затиском на трубопроводі

У лабораторних умовах і при дослідженнях особливо малі похибки мають місце при застосуванні плівкових термометрів, розташованих безпосередньо на вимірюваній поверхні. Ці термометри опору або термоелектричні термометри напиляють на вимірювану поверхню. Іноді застосовують додаткові покриття, щоб забезпечити ту ж випромінювальну здатність і теплопровідність, як і в інших ділянках поверхні, що прилягають до місця виміру. Слід мати на увазі, що часто термо-ЕРС і температурний коефіцієнт у дуже тонких плівок, напиляних на поверхню, будуть залежати від товщини напиленого шару, термічної обробки і теплового розширення матеріалу, на який виконувалося напилювання. Вимір температури поверхонь, що рухаються, має свої специфічні проблеми. Найкраще для цього застосовувати безконтактні методи виміру – за випромінюванням. Однак у багатьох випадках застосування безконтактного методу не може бути здійснено, тому що немає прямої видимості вимірюваної поверхні або його застосуванню перешкоджають інші причини. Тому досить широко застосовуються контактні термометри. При цьому, як правило, виникає або проблема забезпечення теплового контакту між термометром і тілом, що рухається, або проблема передачі вимірювального сигналу з тіла, що рухається, на стаціонарну вимірювальну установку. Якщо термометр жорстко закріплений на вимірюваній поверхні (з урахуванням викладених вище особливостей виміру температури поверхонь) і його температура практично дорівнює температурі поверхні, виникає задача передачі показань термометра на стаціонарну вимірювальну установку. Це можна здійснити при малих поступальних переміщеннях гнучкими сполучними проводами. При обертальному русі передача сигналу здійснюється через обертовий контактний пристрій, найпростішим варіантом якого є контактні кільця. Прикладом може служити схема, зображена на рис. 2.24.

Рис. 2.24 – Схема виміру температури обертових деталей термоелектричним термометром

На обертовій деталі 1 розташований робочий спай термоелектричного термометра 2. Вільні кінці термометра утворюють інший спай 3 термометра, що обертається разом з деталлю. У розрив одного з електродів через контактні кільця 4 включений електронний підсилювач 5. За наявності різниці температур спаїв 2 і 3 підсилювач 5 через електронний блок 6 змінює нагрівання печі 7, у якій знаходиться обертовий спай 3, доти, поки вимірювальний струм у ланцюзі не буде дорівнювати нулю, тобто поки температури спаїв 2 і 3 не будуть рівні. Температура в печі виміряється термометром 8 і вимірювальним приладом 9. Вона буде дорівнювати температурі спаю 2. Відсутність струму в ланцюзі виключає вплив перехідних опорів контактних кілець. Передача сигналу може здійснюватися і безконтактним способом за допомогою телеметричної, найчастіше індуктивної, системи. Однак безконтактні системи для термоелектричних термометрів складні і не знайшли широкого застосування.

Вимір температури полум'я. Виміри температури полум'я мають свої специфічні особливості і труднощі. При виборі методу виміру аналізуються рівень вимірюваних температур, бажана точність і тип полум'я. Температура горіння природного газу, рідкого палива і вугілля, як правило, нижче 2100 °С. Виключення складає температура полум'я, збагаченого киснем, що може сягати великих значень. Температура смолоскипа чи полум'я в більшості промислових установок лежить в інтервалі 1600–1900 °С.

Полум'я являє собою частково прозоре середовище з просторовим температурним полем, що міняється в часі. Вимір температури полум'я може здійснюватися пірометрами випромінювання або контактними термометрами. При вимірі температури полум'я по випромінюванню відбувається просторове усереднення температури уздовж осі візування пірометра. На результати виміру будуть впливати випромінюючі компоненти (частки сажі, двоокис вуглецю, водяна пара та інші тверді частки), що знаходяться в полум'ї. Велике значення має вибір довжин хвиль, сприйманих пірометром. Невипромінюючі гарячі чи холодні зони газів принципово не можуть бути обмірювані пірометрами випромінювання без спеціального їх підфарбовування.

Рис. 2.25 – Вимір температури полум'я способом випромінювання-поглинання

Розглянемо деякі способи виміру температури полум'я із зазначенням їх особливостей і можливих похибок. Одним з цих способів є так званий спосіб випромінювання – поглинання. Ідея методу полягає у зрівнюванні спектральних енергетичних яскравостей температурної лампи, що спостерігається крізь полум'я і безпосередньо (рис. 2.25). Позначивши через В_пл – спектральну енергетичну яскравість полум'я, а через В_т.л. – спектральну енергетичну яскравість стрічки температурної лампи, можна записати, що спектральна енергетична яскравість стрічки лампи, що спостерігається крізь полум'я, становить:

В_пл + В_т.л.(1 – a_пл),

де a_пл – коефіцієнт поглинання полум'я (значення a_пл невідомо).

Змінюючи температуру стрічки температурної лампи таким чином, щоб виконувалася умова:

В_пл + В_т.л.(1 – a_пл) = В_т.л,

одержимо

В_т.л = В_пл/a_пл.

Отже, температура полум'я дорівнює яскравісній температурі температурної лампи. Цей метод дозволяє залишати невідомим коефіцієнт поглинання полум'я, що у реальних умовах практично невизначений. Тому методична похибка є незначною. Однак практична реалізація методу на промислових установках пов'язана з труднощами здійснення такої оптичної системи, у якої обидва канали не тільки мали б однакові спектральні характеристики, а й однаково змінювали б їх у процесі експлуатації. Цей метод передбачає застосування квазімонохроматичного пірометра, і тому полум'я повинно випромінювати за тих самих довжин хвиль, за яких працює пірометр. У різновиді цього методу можливе застосування пірометрів повного випромінювання, однак у цьому випадку можуть мати місце методичні похибки, обумовлені відхиленням випромінювальних властивостей полум'я від сірого випромінювання.

Для виміру температури несвітлового полум'я або нагрітого газу застосовують метод звертання спектральних смуг. Для реалізації цього методу в полум'я вводяться солі натрію, наприклад поварену сіль, що офарблюють полум'я в жовтий колір. Далі використовують температурну лампу і спектропірометр і зрівнюють спектральну енергетичну яскравість за довжини хвилі випромінювання натрію для лампи і полум'я. Температура лампи буде дорівнювати температурі полум'я за рівності спектральних енергетичних яскравостей. В усіх цих випадках полум'я повинне бути не зовсім оптично щільним, щоб можна було спостерігати через нього.

Пірометри спектрального відношення можуть застосовуватися для виміру світного полум'я, наприклад підсвіченого сажею. Слід зазначити, що застосування будь-яких методів виміру температури полум'я по випромінюванню вимагає попереднього дослідження спектральних характеристик полум'я й умов, у яких будуть проводитися виміри, з метою виявлення факторів, що впливають на результати виміру (інших джерел випромінювання, проміжного середовища, пилу тощо).

Одним з недоліків виміру температури полум'я пірометрами випромінювання є усереднення температури уздовж оптичної осі. Тому не можна визначити, до якої точки полум'я відноситься отриманий результат. У цьому відношенні застосування невеликих за розмірами термоелектричних термометрів має істотні переваги. Однак температура такого термометра може істотно (на 100–200 °С) відрізнятися від температури газу, тому що вона буде визначатися за тепловим балансом термометра. У зв'язку з тим що розрахунок пов'язаний з необхідністю одержання додаткової інформації про швидкість газу (полум'я) у точці виміру, випромінювальних здібностях полум'я і термометра, одержали поширення способи виміру, які дозволяють виключити ці параметри з розрахункових виразів. Для цього застосовуються два термометри з різним діаметром термоелектродів (розміри спаю в цьому випадку повинні дорівнювати діаметру термоелектродів), що розташовуються практично в одній і тій же точці полум'я (газу). Тоді дійсна температура:

. (2.1)

Ці вирази передбачають теплообмін випромінюванням між термоелектродами і стінкою і не враховують теплообмін між термометром і полум'ям. Це справедливо для прозорих, несвітлових пламенів і газів. В оптично щільному полум'ї термометр “не бачить” стінок і тому застосовувати вираз (2.1) недоцільно. У зв'язку з цим запропоновано вимірювати температуру одним термометром, а виправлення оцінювати за залежністю (2.1).

Вимір температур в енергетичних реакторах. Вимір температур в енергетичних реакторах і активній зоні має свої специфічні особливості. По-перше, це питання радіаційної безпеки, які вимагають застосування методів і засобів виміру температури, що відрізняються високою надійністю, по-друге, – забезпечення тривалої роботи засобів виміру температури зі стабільними чи практично стабільними градуювальними характеристиками.

Питання надійності засобів виміру температури зводяться в основному до створення такої конструкції термометрів, що забезпечувала б безвідмовну роботу як протягом тривалої експлуатації, так і при аварійних ситуаціях.

Однією з найбільш важливих і самих тепло-напружених частин реактора є тепловиділяючі елементи (твели). Оскільки в них розташована речовина, що поділяється, то вони є і найбільш відповідальними частинами реактора. Припустимий рівень температури палива й оболонки визначається застосовуваними матеріалами. Товщина оболонок – від 0,1 мм для сталевих оболонок до 1 мм для цирконієвих сплавів. Значення температури залежно від виду реактора і його конструктивних особливостей складають від 350 до 1200 °С. Заниження температури оболонок щодо розрахункової приводить до падіння потужності реактора. Підвищення температури може викликати руйнування оболонок і привести до аварійної ситуації. Тому вимір температури оболонок твелів є однією з найважливіших задач виміру температури в енергетичних реакторах. Найбільш прийнятними для цієї мети є кабельні термоелектричні термометри, що мають підвищену стійкість до теплових ударів, вібрацій, механічних навантажень. Важливими достоїнствами кабельних термометрів є можливість одержання малих їх діаметрів їх (до 0,5 мм), різного поперечного перерізу – круглих, плоских, овальних тощо, а також можливість виготовлення перемінного за довжиною діаметра. Кабельні термоелектричні термометри мають достатню довжину і гнучкість для прокладки в самих важкодоступних місцях. Залежно від конструкції твелів застосовуються різні способи закладення кабельних термометрів в оболонку твелів. Це може бути закладення термометра 1 (рис. 2.26, а) у дистанціонуюче ребро 2 на оболонці 3 твела, у якому знаходиться паливо 4. Можливе кріплення термометра 1 до оболонки 3 способом плазменого напилювання (рис. 2.26, б) та інші способи. Варіанти кріплення і розміри термометра визначаються конструкцією і розмірами оболонки твела, а також забезпеченням мінімального перекручування температури оболонки в місці виміру самим термометром і його кріпленням. Крім звичайних, випускаються кабельні багатозонні термоперетворювачі діаметром 3 і 6 мм із числом робочих спаїв 3 і 5, відстанню між спаями 1000 і 1500 мм і максимальною довжиною термоперетворювача 25 м.

а)	б)

Рис. 2.26 – Термоелектричні термометри для виміру температури оболонок твелів: а) забитий у дистанціонуюче ребро; б) закріплений плазменим напилюванням

Багатозонні кабельні термометри дозволяють вимірювати температури в різних точках активної зони (наприклад, розподіли температури графітової кладки реактора за висотою) одним термометром. Температура є важливим параметром, який характеризує властивості графітового сповільнювача. Особливості її виміру визначаються відносно високим значенням температури (до 800 °С), навуглецюванням матеріалів конструкції термометра, опроміненням, що іонізує, і практичною неможливістю доступу до місць вимірів. Крім того, велике значення має вибір найбільш характерних точок виміру у графітовій кладці.

Для виміру максимальної температури графіту застосовується термоелектричний термометр 1, розташовуваний за допомогою направляючого пристрою 2 у центрі каналу 3 осередку графітової кладки (рис. 2.27). При цьому слід враховувати можливі методичні похибки, викликані термічним опором шару газу між робочим спаєм і поверхнею графітової кладки. Інші варіанти конструкції, що забезпечують безпосередній контакт із поверхнею графіту, не знайшли широкого застосування у зв'язку з ускладненням конструкції і зменшенням ресурсу роботи.

Для виміру температурних режимів пристроїв теплового і біологічного захисту, а також металоконструкцій реактора найчастіше застосовуються також кабельні термоелектричні термометри, що іноді армуються додатково захисним чохлом.

Велике число температурних вимірів у реакторах припадає на контроль температур теплоносія в різних точках першого і другого контурів. Для цього застосовуються різні конструктивні варіанти “класичних” термоелектричних термометрів: термоелектроди – ізоляційні намиста або трубки – захисна гільза. У зв'язку з вимогами радіаційної безпеки виникла необхідність розробити спеціальні конструктивні рішення герметичного виводу термоелектродів з реактора. Термоелектричні термометри укладені в герметичні трубки. Сполучні лінії термометрів виводяться через спеціальні патрубки, вмонтовані в отвори кришки. Кінці труб приварюються до трубної дошки. Для контролю ущільнення є відвід до сигналізатора протечок. При порушенні герметичності закладення труб вступає в роботу резервне ущільнення. Для умов вібрації розроблені високонадійні дугоподібні гільзи великої стійкості, що складаються з двох конічних частин і циліндричної частини малого діаметра (рис. 2.28). Для забезпечення герметичності контуру з активним середовищем і високої надійності засобів виміру широке застосування знаходять багатоелементні термометри і багатозонні кабельні термометри, які дозволяють скоротити число свердлінь у трубопроводах і ємностях устаткування АЕС.

Рис. 2.27 – Вимірювання температури графітової кладки реактора

Рис. 2.28 – Термоелектричний термометр із дугоподібною гільзою

Як зазначалося вище, велике значення при вимірі температури в реакторах має питання стабільності градуювальних характеристик засобів виміру в умовах іонізуючих випромінювань великої потужності. Термометри, розташовані в активній зоні піддаються впливу нейтронного потоку, осколків розподілу, електронів та інших часток, впливу -випромінювання. У результаті цього може відбуватися зміна структури, складу і відповідно зміна фізичних властивостей і метрологічних характеристик термометрів. У термоелектричних термометрах під впливом радіації можуть виникати тимчасові відхилення вихідного сигналу і тривалі, чи інтегральні, відхилення. Тимчасові відхилення спостерігаються в термометрах при впливі випромінювання і зникають при припиненні випромінювання за незмінної вимірюваної температури. Тривалі чи інтегральні відхилення вихідного сигналу термометра мають місце при тривалому впливі випромінювання, коли термометр “набрав” певний флюенс випромінювання (кількість іонізуючих часток). Ці відхилення вихідного сигналу термометра залишаються і при припиненні випромінювання за постійної вимірюваної температури. Інтегральне відхилення викликається, як правило, радіаційним переродженням окремих елементів, що входять до складу термоелектродів. Це відхилення не може бути знято термообробкою електродів.

Як показали дослідження, тимчасові відхилення вихідного сигналу термоелектричних термометрів у більшості випадків не перевищують 1 % вимірюваної температури. Висловлюється припущення про те, що ці відхилення викликані розігрівом термометрів у результаті g-опромінення. Зменшення цього відхилення досягається зменшенням радіального термічного опору термометра, а також зменшенням тепловиділення в самому чутливому елементі.

Аналіз інтегральних відхилень вихідних сигналів показав, що практично не мають інтегральних відхилень хромель-алюмелеві термоелектричні термометри, що піддавалися опроміненню з щільністю потоку іонізуючих часток до 4,5-10²⁴ с^-1м^-2 за температури 1000 °С. За тих самих умов інтегральні відхилення платинородій-платинових термометрів склали 30 °С. Ці результати підтверджуються дослідженням радіаційного переродження матеріалів термоелектродів через переродження родію. Найменша зміна складу відзначалася в парі хромель-алюмель, вона порозумівається стійкістю нікелю, що складає основу цих сплавів, до радіоактивного розпаду. Таким чином, застосування хромель-алюмелевих термоелектричних термометрів у реакторних вимірах дозволяє практично виключити інтегральні відхилення вихідного сигналу термометра.

Термометри опору для внутрішньореакторних вимірів практично не застосовуються, у зв'язку з істотною зміною електричного опору під впливом іонізуючих випромінювань. У результаті ядерних перетворень електричний опір зростає, що приводить до завищення показань термометрів опору. Через кращу стабільність і більший діапазон виміру перевага віддається платиновим термометрам. Мідні термометри для виміру температур на АЕС не застосовуються.

Вимір криогенних температур. Криогенними називаються температури нижче 90 К. Вимір таких температур має свої специфічні особливості і труднощі, що зростають при наближенні до абсолютного нуля. Найбільшого поширення для виміру низьких температур одержали термометри опору і термоелектричні термометри. Термометри опору застосовують для виміру температур від 0,01–0,02 К і вище. Особливістю використання термометрів опору з металу є те, що опір термометра за низьких температур стає настільки малим, що утруднює їх вимір. При цьому зменшується коефіцієнт перетворення термометрів, що впливає на точність виміру. Зростає вплив дефектів кристалічних ґрат матеріалу термометра на його опір за низьких температур.

Зменшення теплоємності матеріалів за низьких температур може привести до істотної відмінності власної температури чутливого елемента термометра від температури вимірюваного середовища за рахунок самонагрівання і підведення теплоти по проводах і захисній арматурі.

З металевих термометрів широко застосовуються платинові термометри опору від 10 К і вище. В окремих роботах платинові термометри опору застосовувалися до 2 К. Для виміру низьких температур розроблена спеціальна конструкція платинового термометра опору (рис. 2.29). Платиновий дріт 1 діаметром 0,05 мм, покритий вініфлексовим лаком товщиною 0,008 мм, намотується біфілярно на платиновий стрижень-каркас 2, один кінець якого запресований у спеціальний ізолятор 3. Платинові виводи 4 підключені до сполучних штирів 5. Стрижень і дріт покриті вініфлексовим лаком, що створює надійну електричну ізоляцію і не взаємодіє з платиною. Для поліпшення теплообміну платиновий каркас-стрижень припаяний до металевого чохла. Для зменшення теплопритока ззовні застосовуються сполучні проводи малого перетину (діаметр 0,1 мм). Термометр такої конструкції вийшов дуже мініатюрним: довжина чутливого елемента (R₀ = 100 Ом) термометр 8 мм, діаметр 1,6 мм, діаметр захисного чохла 2–3 мм. Інші термометри опору з металу в СРСР практично не застосовуються. За рубежем деяке поширення одержали нікелеві термометри опору (в інтервалі 77–300 К) і термометри з манганіну (в інтервалі 4,2– 300 К).

Рис 2.29 – Стрижневий платиновий термометр опору для виміру криогенних температур

Усі термометри з металів змінюють свій опір під впливом магнітного поля, причому чим нижче температура, тим більше цей вплив. Для платинового термометра цей вплив є найбільшим: за температури 13 К магнітна індукція до 2 Т викликає збільшення опору до 40%, при 50 К приріст опору за тої ж магнітної індукції складає частки відсотка. В інших термометрів опору з металу магніторезистивний ефект майже на порядок менше, але він має місце.

Для виміру температур нижче 13 К в основному застосовуються германієві термометри опору. Вони призначені для виміру температур в інтервалі від 0,1 до 300 К. Виготовляються вони з кристалічного германія з багатокомпонентним легуванням. Опір германія збільшується зі зниженням температури і за гелієвих температур обчислюється сотнями і тисячами Ом. Коефіцієнт перетворення за цих температур складає 10²–10³ Ом/К. Серійні германієві термометри опору мають межу похибок, що допускаються, 0,05-0,1 К. Еталонні германієві термометри опору мають стабільність градуювальної характеристики до 0,001 К. Хоча конструктивне виконання термометрів різне, але в загальному випадку кристал германія, до якого приварені виводи, поміщається в захисну гільзу (корпус), заповнену гелієм, що поліпшує теплообмін з вимірюваним середовищем. Германієві термометри опору також піддаються впливу магнітних полів. Цей вплив менший, ніж для платинових термометрів, але при полі в 10–15 Т похибка через їх вплив може скласти при 4,2 К близько 0,15–0,2 К і більше.

За наявності магнітних полів для виміру низьких температур доцільно застосовувати вугільні термометри опору. У вугільних термометрів вплив магнітних полів у 15 Т змінює їх показання не більше ніж на 4–7 % для температур від 0,01 до 1,5 К. Вугільні термометри опору так само як і германієві, мають негативний температурний коефіцієнт і виготовляються з кам'яного вугілля шляхом спеціальної термообробки. Одним з головних достоїнств вугільних термометрів є те, що їх коефіцієнт перетворення практично зворотно пропорційний температурі. Для малих об'єктів застосовують плівкові вугільні термометри опору, що виготовляються шляхом нанесення шару колоїдного розчину графіту на підкладку або безпосередньо на поверхню об'єкта. До числа недоліків вугільних термометрів слід віднести нестабільність їх градуювальної характеристики.

З термоелектричних термометрів найбільшого поширення для виміру температур від 20 до 300 К одержав мідь-константановий термометр. Однак його коефіцієнт перетворення істотно зменшується з пониженням температури. Якщо за кімнатних температур він становить близько 40 мкВ/К, то при 20 К він вже складає тільки 5 мкВ/К. Тому вимірювання цим термометром при 20 К сполучено з труднощами, а за більш низьких температур є практично неможливим.

Деяке поширення одержав термометр мідь-(золото + 1,9% кобальту). Однак стабільність цього термометра невисока. Крім того, значний вплив мінливості температури вільних кінців на показання термометра. Для промислових вимірів в інтервалі від 1 до 50 К добре зарекомендував себе термометр (золото + 0,07% заліза)-хромель, що має практично лінійну характеристику при гарній стабільності. Для зменшення похибки, викликаної мінливістю температури вільних кінців, їх поміщають у середовище з температурою, близькою до вимірюваної, наприклад, у рідкий азот.

Однак, незважаючи на ряд переваг, термоелектричні термометри поступаються термометрам опору в точності й у стабільності градуювальної характеристики.

Манометричні термометри (газові і конденсаційні) досить широко використовуються для лабораторних і технічних вимірювань криогенних температур. Головною перевагою газових термометрів є можливість їх застосування без попереднього градуювання в широкій області температур. Наприклад гелієвий термометр може перекрити всю область температур від 90 до 1 К. Для точних вимірів необхідно враховувати відмінність властивостей реального газу, що заповнює термометр, від ідеального газу. Слід мати на увазі, що розміри термобалона є значними і можливий вплив температури навколишнього середовища, тому область застосування газових термометрів обмежена.

Конденсаційні термометри використовують експериментальну залежність тиску насиченої пари від температури. Діапазони виміру конденсаційних термометрів у криогенній області досить вузькі, наприклад для гелієвих термометрів 1–5 К, для водневих 15–35 К. Точність виміру температури залежить від точності визначення градуювальної характеристики термометра.

Термометри магнітної сприйнятливості застосовуються для виміру температур нижче 1 К. Необхідність проведення магнітних вимірів практично виключає можливість використання термометрів магнітної сприйнятливості в промислових установках. А необхідні розміри також обмежують область їх застосування.

При вимірі криогенних температур велику увагу слід приділяти методичним похибкам виміру температури, що визначаються особливостями теплообміну чутливого елемента термометра не тільки з вимірюваним середовищем, а й з навколишнім середовищем та елементами конструкції установки.

Вимірювання температури розплавів. Складність вимірювання температури розплавів визначається в основному активною корозією захисного чохла термометра. Методичні похибки при вимірі температури розплавів практично можна не брати до уваги, тому що тепловіддача від розплаву до чохла термометра, як правило, дуже добра. Виключення складають синтетичні матеріали великої в'язкості (пластмаси, синтетика, синтетичний каучук та ін.), у яких коефіцієнт тепловіддачі невеликий. Конструкція термометра в цьому випадку повинна забезпечити необгорнуватість термометра матеріалом і мінімальною похибкою шляхом тепловідводу через чохол. На рис. 2.30 представлений один з варіантів такого термометра, що складається з чутливого елемента в тонкому чохлі 1 і власника 2 обтічної форми.

Рис. 2.30 – Термометр для виміру температур розплавів синтетичних матеріалів

При вимірі розплавів солей захисні чохли через кілька десятків годин виходять з ладу через агресивну дію розплаву. Тому часто роблять легко змінюваний чохол з неякісної дешевої сталі, наприклад термометр із товстостінним захисним чохлом зі звичайної дешевої сталі, що одночасно є одним з електродів термоелектричного термометра.

Рис. 2.31 – Термометр для виміру температур розплавів сталі і кольорових металів

Для виміру розплавів скла можуть застосовуватися захисні чохли з вуглецевих блоків або зі шляхетних металів. Графітові (вуглецеві) захисні чохли застосовуються для виміру температури у ванних печах. Усередині графітового чохла повинен бути розташований газощільний внутрішній чохол для захисту термопари зі шляхетних металів від впливу відбудовної атмосфери вуглецю. Термометри такої конструкції мають велику теплову інерцію.

У живильних пристроях, де на поверхні розплаву скла є окисна атмосфера, можуть застосовуватися чохли зі шляхетних металів або комбіновані. Термоелектроди в порцеляновій ізоляційній трубці містяться в захисному чохлі з платини. Зовні розташовуються керамічний захисний чохол і монтажна сталева трубка, що кріпиться до головки термометра. Такий термометр відрізняється малою інерційністю.

Вимір температури розплавів кольорових і легких металів також викликає великі труднощі через сильну корозію металевих захисних чохлів. Кварцові чохли не придатні, тому що, з'єднуючись, наприклад, з окисом алюмінію, кварц перетворюється на низькоплавке скло. Рідкі мідні сплави відбирають у кварцу кисень, руйнуючи його структуру. Для деяких розплавів кольорових металів застосовуються чохли з хромистого чавуну. Широкого поширення для епізодичного виміру температури рідкої сталі і розплавів кольорових металів одержали термоелектричні термометри короткочасного занурення зі змінними блоками (рис. 2.31). Дуже тонка термопара 1 (діаметром 0,08–0,1 мм) розташована в кварцовій трубці 2 і за допомогою термоелектродів приєднана до пружинних контактних кілець 5. Термопара з кварцовою трубкою захищена від механічних ушкоджень тонкостінним захисним ковпачком 6. Змінний блок, що складається з пластмасового блоку 4, термостійкої замазки 3, термопари 1, трубки 2 і захисного ковпачка 6, вставляється в захисний чохол з багатошарового паперу 7 і одночасно контакти блоку з'єднуються з контактами основного переносного чохла 8. За температури 1600–1700 °С такий термометр може знаходитися 10–15 с у рідкій сталі. При цьому частина паперового чохла обгоряє, розплавляється захисний ковпачок, але інтервал часу 10 с достатній для надійного і точного виміру температури. Після виміру змінний блок разом з паперовим захисним чохлом знімають з основного чохла і заміняють новим. Для виміру застосовуються термометри платинородій-платино-родієві (тип В) і вольфрамреній-вольфрамренієві (ВР 5/20).

На даний час на ряді металургійних заводів застосовуються термоелектричні термометри для безупинного виміру температури розплавленої сталі. Термометр поміщається у водоохолоджувану захисну форму. Робочий спай вітчизняних термометрів захищений тришаровим наконечником: зовнішній шар – з металокераміки, внутрішній – з окису алюмінію, у проміжку – засипання з окису алюмінію, термоелектроди платинородій-платинородієві (ПР 30/6). У закордонних конструкціях застосовуються газощільні капіляри з глинозему і металокерамічний чохол. Термометри для безупинного виміру температури розплавленої сталі часто оснащуються спеціальним приводом і можуть всовуватися у вимірюване середовище або висуватися з нього в процесі роботи сталеплавильного чи сталерозливного агрегату.

У зв'язку з малою надійністю контактних термометрів у розплавах для виміру температури рідкої сталі й інших розплавів часто застосовуються пірометри. Вид застосовуваного пірометра залежить від умов виміру. Наприклад, на конвертерах з донною продувкою можливо робити вимір через одне з дуттєвих сопел пірометром повного випромінювання, тому що випромінювальна здатність поверхні металу в цьому випадку мало відрізняється від одиниці. Однак температура металу в цьому випадку виміряється безпосередньо в зоні реакції вуглецю з киснем і тому має більш високе значення, ніж середня температура металу в конвертері. Одночасні виміри дійсної температури розплаву термоелектричним термометром і яскравісної температури розплаву квазімонохроматичним пірометром дозволяють за температурою і коефіцієнтом теплового випромінювання робити висновок про якість сталі чи розплаву, про їх хімічний склад. Для зменшення впливу шлаку на показання може бути використаний пристрій для запам'ятовування пікових значень, що фіксують тільки значення вимірюваної температури металу.

Температура розплавленого скла може вимірятися пірометрами повного чи часткового випромінювання, якщо товщина шару розплаву така, що скломаса непрозора для випромінювання. Відзначена ще одна властивість випромінювання скла: в інтервалі довжин хвилі від 4 до 8 мкм усі сорти скла мають коефіцієнт теплового випромінювання e = 0,96. Тому пірометри часткового випромінювання, що працюють у цій області спектра, можуть бути відградуйовані у значеннях дійсної температури. Часто пірометр візується на дно керамічної калильної трубки, зануреної в розплав. У тій частині ванни, де немає смолоскипа, можливий вимір температури розплаву шляхом візування пірометра прямо на розплавлене скло. У цій частині має місце рівність випромінювання між ванною і зводом, тому їх вплив на результати виміру буде відсутній.

Пірометри випромінювання можуть бути використані також для виміру температур пластмас та інших полімерних матеріалів. Спектральні характеристики більшості полімерних матеріалів мають характерні смуги поглинання, у яких коефіцієнт теплового випромінювання практично дорівнює одиниці, наприклад для полістиролу 3,4; 6,8 і 14,2 мкм; для полівінілхлориду 3,4; 7 і 8 мкм; для нейлону 3; 3,4; 6,2; 6,6 мкм тощо. Тому квазімонохроматичні пірометри з ефективною довжиною хвилі, що відповідає одній з зазначених вище, можуть вимірювати відразу дійсну температуру. В окремих випадках при вимірі температури прозорих і напівпрозорих матеріалів перед пірометрами встановлюють фільтри, які виділяють ту чи іншу спектральну область, у якій ці матеріали мають випромінювальну здатність, близьку до абсолютно чорного тіла. На закінчення необхідно зазначити, що вибір того чи іншого методу виміру і його конструктивне виконання визначаються конкретними умовами виміру температури розплавів, їх взаємодією з різними матеріалами, їх випромінювальними здібностями та іншими фізичними і хімічними властивостями. І в кожному випадку може бути своє, відмінне від інших випадків рішення цієї проблеми.

До початку

До змісту