1.5. Пирометры излучения.

Принцип действия пирометров основан на зависимости интенсивности теплового излучения тел от температуры. Тепловое излучение может распространяться в пространстве даже в вакууме, поэтому эти средства применяются в качестве бесконтактных средств измерения, т.е. не требующих непосредственного контакта между объектом и средством измерения. Вследствие этого основная сфера их использования – это измерение сверхвысоких температур (порядка нескольких тысяч градусов), где контактными средствами измерения пользоваться невозможно из-за опасности их физического разрушения или измерение температуры труднодоступных для непосредственного контакта объектов, например температуры больших участков местности при аэрокосмической съёмке, объектов в зоне химического или радиационного заражения. Таким образом, к достоинствам пирометров следует отнести возможность бесконтактного измерения температуры, а значит отсутствие влияния на объект измерения, высокое быстродействие. Недостатком пирометров является относительно большая абсолютная погрешность определения температуры, т.к. согласно закону Стефана-Больцмана излучательная способность тела пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры. Однако при измерении высоких температур соответствующая относительная погрешность может оказаться вполне сравнимой с величиной относительной погрешности других средств измерения температуры.

1.6. Термоэлектрические термометры.

Термоэлектрические термометры основаны на физическом эффекте возникновения термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в цепи, состоящей из 2-х разнородных проводников, соединенных между собой спаями, если температуры этих спаев различны. Этот эффект был открыт в 1821 году немецким ученым Т. Зеебеком (T.Seebeck). ТермоЭДС зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев:

,

где - коэффициент Зеебека.

Конструкция из 2-х или более разнородных электродов, соединенных спаями, называется термопарой. Определить разность температур спаев можно, измерив величину термоЭДС. Для этого в цепь термопары должен быть включен прибор для измерения разности потенциалов. Это может быть милливольтметр или потенциометр постоянного тока. Если температура контактов прибора для измерения ТЭДС, к которым подключается термопара, одинакова, то это не искажает значение ТЭДС, развиваемое термопарой.

Таким образом, термоэлектрический термометрпредставляет собой комплект, в состав которого входят термопара в качестве первичного преобразователя, т.е. датчика температуры, и прибор для измерения ТЭДС.

Однако на практике, как правило, интерес представляет не знание разности температур спаев, а температура одного из них, который находится в контакте с объектом измерения. В этом случае температура другого спая должна оставаться неизменной в процессе измерения и быть известна. В связи с этим условно различают горячий(илирабочий) ихолодныйспаи термопары. Для соблюдения этого условия в технике при точных измерениях принято поддерживать эту температуру равной 0С, для чего холодный спай термопары в процессе измерений находится в сосуде с тающим льдом.

Значение температуры, соответствующее измеренному значению термоЭДС , определяется по известной для данного типа термопары зависимости Е = f(T₁-T₂), которая называетсяградуировочной характеристикой термопары. Градуировочная характеристика может быть представлена в форме таблицы, графика или аналитической зависимости.

В случае, если холодный спай термопары находится при температуре, отличной от 0С, при определении температуры рабочего спая необходимо учитывать поправку на температуру холодного спая. Схема термоэлектрического термометра представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема термоэлектрического термометра

К материалам для изготовления термопар предъявляется ряд специальных требований:

- высокая ТЭДС. Наилучшее сочетание материалов термоэлектродов то, при котором величина ТЭДС, развиваемой на 1 градус изменения температуры, максимальна. В этом случае выше точность измерения и чувствительность прибора;

• термическая и химическая стабильность;

• относительная дешевизна;

• достаточная пластичность, чтобы иметь возможность изготавливать электроды в виде проволоки различной толщины.

Несмотря на то, что эффект Зеебека проявляется у достаточно большого числа различных материалов, удачное сочетание качеств, отвечающее комплексу вышеназванных требований, предъявляемых к материалам для термопар современной производственной практикой, встречается достаточно редко. Это обстоятельство приводит к необходимости создания специальных сплавов для изготовления термопар. Наиболее чувствительной среди термопар является хромель-копелеваятермопара (тип ТХК), развивающая ТЭДС 66,42 мВ/град. Термопары, выпускаемые промышленностью серийно, называютсястандартными. Основные типы стандартных термопар и их параметры в соответствии с международной спецификацией представлены в таблице 3. Хромель-копелевая термопара не относится к числу стандартных согласно международной классификации, однако в России выпускается серийно, несмотря на относительно ограниченный диапазон рабочих температур (от –50 до +600С).

Различают следующие основные варианты конструктивного исполнения термопар:

• неизолированная тонкопроволочная с открытым контактом;

• изолированная с открытым контактом;

• изолированная на самоклеющейся основе;

• изолированная в керамической оболочке;

• в металлическом корпусе с встроенными клеммами для установки в гильзу.

Таблица 3.

Основные типы стандартных термопар в соответствии с международной спецификацией.

Обозна- чение, ANSI	Тип по ГОСТ*	Материал термоэлектродов	Диапазон рабочих температур
J	-	Железо (Fe) – Константан (Cu-Ni)	От –210 до +1200С
K	ТХА	Хромель(Cr-Ni) – Алюмель (Ni-Al)	От –270 до +1372С
T	-	Медь (Cu) - Константан (Cu-Ni)	От –270 до +400С
E	-	Хромель(Cr-Ni) - Константан (Cu-Ni)	От –270 до +1000С
N	-	Никросил (Ni-Cr-Si) – Нисил (Ni-Si-Mg)	От –270 до +1300C
R	-	Платина-родий(Pt-Rh13%) – Платина (Pt)	От –50 до +1768С
S	ТПП	Платина-родий(Pt-Rh10%) – Платина (Pt)	От –50 до +1768С
B	ТПР	Платина-родий(Pt-Rh30%) - Платина-родий(Pt-Rh6%)	От 0 до +1820С
C	ТВР	Вольфрам-рений (W-Re5%) - Вольфрам-рений (W-Re26%)	От 0 до +2320С

*В таблице приведены типы, совпадающие с международным стандартом.

Термоэлектрические термометры обладают следующими достоинствами в сравнении с другими средствами измерения температуры:

• высокая точность измерения при широком диапазоне измеряемых температур;

• возможность измерения температуры в труднодоступных местах благодаря малым размерам чувствительного элемента;

• возможность дистанционного измерения температуры и передачи сигнала измерительной информации на большие расстояния, использования его непосредственно без промежуточных преобразований в системах автоматического регулирования и компьютерного управления, т.к. он вырабатывается в форме электрического сигнала;

• возможность измерения температуры в нескольких точках с помощью одного вторичного прибора (многопозиционное измерение);

• отсутствие необходимости включения в измерительную цепь высокостабильного источника питания;

• относительная дешевизна.

Совокупность вышеназванных качеств послужила причиной того, что термоэлектрические термометры нашли самое широкое применение в различных сферах производственной деятельности и относятся к средствам измерения общепромышленного назначения, знание которых включает кругозор технически грамотного специалиста любого профиля.