Приборы для теплового контроля

ТЕРМОМЕТРЫ. Для измерения температуры охладительных сред, растворов солей, воды и масла при закалке, а также расплавленных солей и масла при изо­термической закалке и отпуске применяются термометры. Термометры раз­деляются на три категории: термометры расширения, манометрические и электрические сопротивления.

Из термометров расширения в практике термических цехов получили распространение ртутно-стеклянные. Ими можно измерять температуру жидких и газообразных сред в пределах от минус 25 до плюс 500°. Другие термометры расширения с органическими жидкостями (спирт, толуол, петро-лейный эфир и др.) используются для измерения низких температур до минус 200°.

Для регулирования или сигнализации температуры применяются модифи­кации ртутно-стеклянных термометров — контактные термометры, называе­мые также термосигнализаторами. Они имеют следующее устройство. В капил­лярную трубку термометра впаиваются или погружаются проволоки из пла­тины (иногда из другого металла), служащие контактами.К ним припаиваются медные провода, которые присоединяются к зажимам на головке термосигнализатора. При повышении температуры ртутный столбик термометра соеди­няет два проводника; происходит замыкание цепи, и термосигнализатор подает сигнал. Контакты термосигнализатора рассчитаны на силу тока 0,15 а при напряжении не более 24 в; при меньшем напряжении, например 6 в, сила тока может быть больше —до 1 а. Для лучшего предохранения от меха­нических повреждений термосигнализаторы помещаются в металлическую оправу.

Манометрические термометры позволяют измерять температуру в преде­лах от минус 40 до плюс 550° и передавать показания на расстояние с записью и автоматическим регулированием.

Принцип действия термометров сопротивления основан на изменении электрического сопротивления проводника в зависимости от его темпера­туры. Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения тем­ператур от минус 120 до плюс 500°, а медные —от минус 50 до плюс 100°. Показания термометров сопротивления весьма точны, и их можно записы­вать самопишущим прибором.

ТЕРМОПАРЫ. Температуру в печах и ваннах (свыше 500°) измеряют термоэлектри­ческим способом. Этот способ основан на явлении возникновения электро­движущей силы в месте соединения двух проводников из различных металлов или сплавов (горячий спай), составляющих термопару (рис. 1.). Величина электродвижущей силы зависит от материала термоэлектродов, состав­ляющих термопару, от температуры горячего спая термопары, называемого рабочим концом, и холодного спая — свободных концов термопары. Свобод­ные концы термопары присоединяют к милливольтметру, шкала которого градуирована в градусах. Термопара и милливольтметр составляют, таким образом, прибор, называемый пирометром. Во избежание неправильных пока­заний свободные концы термопары должны находиться при постоянной низ­кой температуре, соответствующей градуировочной температуре термопары. В случае нагрева свободных концов термопары их необходимо охлаждать. Для этого к свободным концам термопары присоединяют так называемые компенсационные провода, которые как бы удлиняют термопару и переносят ее свободные концы на некоторое расстояние от печи, где температура при­ближается к температуре градуировки прибора. Затем к компенсационным проводам присоединяют медные провода, связанные с милливольтметром. Компенсационные провода можно присоединять и непосредственно к милли­вольтметру.

В промышленности находят применение следующие термопары: 1) пла-тинородий —платина, условное обозначение градуировки ПП; 2) сплав НК-СА, условное обозначение градуировки НК.-СА; 3) хромель-алюмель,

Рис. 1. Схема включения из­мерительного прибора в цепь термопары:

а — включение в спай; б — включе­ние в термоэлектрод

условное обозначение градуировки ХА; 4) хромель-копель, условное обозначение градуировки ХК.

В первой термопаре положительным электродом является платинородий (сплав, состоящий из 90% платины и 10% родия), а отрицательным —пла­тина. Максимальная температура, которая может быть измерена этой термо­парой, равна 1600°. Однако практически измеряемая температура нахо­дится в пределах от —20 до + 1300°. Выше 1300° предохранительные кожухи термопар обладают низкой стойкостью и, кроме того, при температурах выше 1300° платина способна поглощать пары металлов и газов. Диаметр про­волоки для этих термопар 0,5 мм.

Термопара из сплава НК-СА работает в интер­вале температур 300—1000°. Положительным тер­моэлектродом служит проволока из сплава НК, а отрицательным — проволока из сплава СА. Диа­метр проволоки этой термопары 0,5—5,0 мм.

У хромель-алюмелевой термопары положитель­ным электродом является хромель, а отрицатель­ным — алюмель. Хромель представляет собой сплав химического состава: 89% Ni; 10% Сг; 1% Fe. Состав алюмеля: 95% Ni; 2% А1; 2% Мп; 1% Si. Температура, для которой может быть применена хромель-алюмелевая термопара, от —50 до 1000° при длительном использовании; диаметр проволоки 1,2— 3,2 мм. При работе в кожухе из жаропрочного сплава хромель-алюмелевые термопары выдерживают до 2000 час. Эти термопары могут быть использованы и для более высоких температур — до 1300°, но стой­кость их при этом резко снижается.

В хромель-копелевых термопарах положитель­ным электродом является хромель указанного выше состава, а отрицательным —копель—сплав, состоя­щий из 43—44% Ni и 57—56% Си. Эти термопары градуируются до 800°, но практически применяются от —50 до 600°. Диаметр проволоки не менее 3,2 мм.

Компенсационные провода изготовляют из тех же материалов, что и соответствующие им тер­мопары. Для хромель-алюмелевой термопары компенсационные провода изготовляют из меди и сплава константана (40% Ni и 60% Си), а для платино-родий-платиновой термопары — из меди и сплава ТП (99,4% Си и 0,6% Ni).

Материалы электродов термопар должны удовлетворять следующим требованиям: а) обладать высокой электропроводностью, неокисляемостью и малым температурным коэффициентом электросопротивления; б) иметь постоянные физические свойства в интервале определяемых температур; в) обеспечивать достаточную величину электродвижущей силы термопары и плавный характер изменения ее величины при повышении температуры.

Термопары монтируют следующим образом. Концы проволоки,за горячим спаем изолируют друг от друга фарфоровыми или керамическими трубками затем помещают в жароупорный трубчатый кожух. Кожухи термопар, рабо­тающих при температурах до 1000°, изготовляют из сталей марок 1Х18Н9Т, Х27 или алитированными из стали Ст. 3. Платиновые термопары, работаю­щие при более высоких температурах, помещают в фарфоровые трубки и кера­мические кожухи — карборундовые или алундовые.

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТЕРМОПАР. Основными источниками погрешностей измерения температуры термопарами являются:

1) погрешности в определении градуировочнои характеристики образцовых и технических нестандартных термопар; 2) отклонения градуировочнои характеристики стандартных технических термопа от стандартной градуировочнои таблицы; 3) погрешности от изме­нений температуры свободных концов термопар; 4) термоэлектри­ческая неоднородность термоэлектродов; 5) вредное влияние раз­личных факторов, изменяющее градуировочную характеристик-термопар, в том числе действие ионизирующих излучений; 6) электропроводность изоляции; 7) погрешности, зависящие от условий измерения.

Термопары градуируются двумя методами: 1) с помощью по­стоянных точек кипения и затвердевания химически чистых веществ, температуры кипения и затвердевания которых известны, 2) методом сравнения с образцовыми приборами (термопарами, термомет-] ¹ рами, яркостными пирометрами).

При первом методе погрешности градуировки зависят от погрешностей значения температур постоянных точек и погрешностей из­мерительной аппаратуры (потенциометров), применяемой для измен рения т. э. д. с. термопар. Этот метод обеспечивает наивысшую точ­ность градуировки и поэтому применяется при градуировке эталон ных и образцовых термопар.

При градуировке методом сравнения погрешности градуировки зависят от погрешностей образцовых приборов и измерительное аппаратуры и погрешностей определения действительной температуры рабочего конца градуируемой термопары.

Погрешности, вызванные отклонением температуры свободным концов термопар от градуировочнои и изменением этой температурь во время измерения, исключают тремя способами:

1) термостатированием свободных концов термопар и введениемпоправки на температуру свободньгх концов расчетным способом;

2. введением поправки при помощи специальных устройств, имею­ щихся в пирометрическом милливольтметре или потенциометре;

3. применением специальных мостовых схем (с посторонним источ­ ником тока), включаемых в цепь термопары. Расчетным способом поправку вводят в основном при повероч­ных работах и лабораторных измерениях температуры. Для этого должны быть известны температуры свободных концов термопар и градуировочные характеристики термопар в интервале от О ^оС до температур свободных концов.

Технические стандартные термопары при эксплуатации обычно устанавливают в металлические защитные чехлы, вследствие» чего головка термопары, в которой к термоэлектродам подключают со­единительные провода, нагревается до сравнительно высокой и из­меняющейся температуры. Поэтому использование медных прово­дов в качестве соединительных приводит к значительным погрешно­стям за счет неопределенности температуры свободных концов. Исключение этой неопределенности возможно благодаря примене­нию специальных компенсационных проводов. Их т. э. д. с. в паре между собой должна быть равна т. э. д. с. термопары в области воз­можных температур в месте соединения компенсационных проводов с термоэлектродами. При включении компенсационных проводов свободные концы термопар отводятся в зону с более низкой и по­стоянной температурой, в частности к зажимам прибора.

По своему химическому составу компенсационные провода де­лятся на две группы: 1) изготовленные из того же материала, что и термоэлектроды термопары, 2) отличающиеся от термоэлектродов термопары химическим составом. Каждый применяемый в компен­сационных проводах материал имеет определенный цвет оплетки

При помощи специальной мостовой схемы (рис.2) поправку на температуру свободных концов вводят автоматически. Термопар; включают в нулевую диагональ моста, питаемого от источника по­стоянного тока аккумулятора или стабилизированного источника сетевого питания. Три плеча моста, изготовленные из манганина, имеют постоянные сопротивления, а четвертое R_M — из медной про­волоки имеет, следовательно, сопротивление, изменяющееся в зави­симости от температуры. В конструкции устройства обеспечено ра­венство температур катушки R_M и свободных концов термопары. Мост, уравновешенный при температуре катушки t_K =0°C, выходит из равновесия при изменении этой температуры, и возникающее в нулевой диагонали напряжение суммируется с т. э. д. с. термопа­ры. Подаваемое на вершины моста напряжение регулируют и под­бирают такой постоянной величины, чтобы напряжение в нулевой диагонали было точно равно поправке на температуру свободных концов термопары.

Всем вновь изготовляемым термоэлектродным материалам свой­ственна термоэлектрическая неоднородность: в меньшей степени термоэлектродам из чистых металлов, например, платиновым и мед

Рис. 2. Схема электрического моста

ПРИНЦИП УСТРОЙСТВА И ДЕЙСТВИЯ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ МИЛЛИВОЛЬТМЕТРОВ

Пирометрические милливольтметры показывающие, самопишу­щие электроконтактные со шкалами, градуированными в градусах Цельсия, применяются в комплекте с термопарами или телескопах радиационных пирометров для измерения, записи, сигнализации и регулирования температур.

Пирометрический милливольтметр — это магнитоэлектрический стрелочный прибор, принцип устройства и действия которого осно­ван на взаимодействии магнитного поля тока, проходящего через катушку (в виде прямоугольной рамки), с магнитным полем постоянного магнита.

Схема устройства пиромет­рического милливольтметра показана на рис.3. Рамка прибора 1, состоящая из боль­шого числа витков тонкой изолированной медной проволоки, укреплена на оси, опирающей­ся на подпятники, и может поворачиваться в узком воздуш­ном зазоре между железным сердечником 2 и полюсными наконечниками магнита 3.

Рис. 3. Устройство пирометрического милливольтметра:

1 — рамка; 2 — железный сердечник; 3 — полюсный наконечник; 4 — постоянный маг­нит; 5 —стрелка; 6 — циферблат; 7 — кноп­ка электрического арретира; 8 — добавоч­ное сопротивление; 9 — балансиры; 10 — спиральные пружинки; 11 — подпятник.

Взаимодействие магнитных полей магнита и рамки создает вращающий момент М_i, пово­рачивающий рамку вокруг оси: Величина М_i прямо пропор­циональна силе тока I, прохо­дящего через рамку M_i = Ct,

где С — постоянный для каж­дого прибора коэффициент, зависящий от числа витков рам­ки, ее размеров и напряженно­сти магнитного поля постоян­ного магнита.

Для одного и того же значения силы тока M_i будет тем больше, чем больше число витков рамки, размеры рамки и напряженность магнитного поля в зазоре между сердечником и полюсными нако­нечниками. Момент M_t не зависит от угла поворота рамки, так как создаваемое магнитом магнитное поле во всем воздушном зазоре имеет одинаковую напряженность, а направление силовых линий магнитного поля перпендикулярно к поверхностям сердечника и по­люсных наконечников.

Для того чтобы определенной силе тока в рамке соответство­вал определенный угол поворота рамки, моменту М_г противопо­ставляют момент Мер, пропорциональный углу поворота рамки φ

где С — постоянный для каждого прибора коэффициент, завися­щий от упругости пружин или растяжек.

Пирометрические милливольтметры обычно имеют либо две шка­лы: милливольтовую и градусную, либо одну градусную. С двумя шкалами изготовляются переносные милливольтметры, а щитовые приборы имеют только градусную шкалу. Милливольтовую шкалу градуируют по напряжению, приложенному к зажимам приборе. В результате же градуировки градусной шкалы необходимо обес­печить соответствие показаний прибора температуре рабочего кон­ца подключенной к данному прибору термопары определенной гра­дуировки. Однако в зависимости от условий эксплуатации расстоя­ние между местом установки термопары и пирометрического мил­ливольтметра может колебаться в широких пределах, поэтому соответственно будет изменяться длина и сопротивление соедини­тельных проводов. Для того чтобы показания прибора не зависели от сопротивления соединительных проводов R_n, последовательно с термопарой и соединительными проводами во внешнюю цепь вклю­чают уравнительную катушку, сопротивление которой R_y исполь­зуют для подгонки величины внешнего сопротивления R_вн.

Величина R_m , суммирующаяся из сопротивлений термопары, соединительных проводов и уравнительной катушки, должна иметь стандартное значение, указанное на шкале милливольтметра. С уче­том стандартного значения R_вн и градуируют градусную шкалу пирометрического милливольтметра.